钛合金显微组织对力学性能的影响

钛合金的显微组织对钛合金的力学性能有显著的影响。传统钛合金的显微组织主要用α和β两相的尺寸及其排列方式来描述，常见的显微组织主要有下列三种；①当钛合金的加热温度低于β转变温度，而且锻造过程中的变形程度足够大，所得到的组织特征是在等轴α相的基体上分布有一定数量的小岛状β相或者β转变相组织，即得到所谓等轴组织（见图2-3-33a）。相应这种组织的性能特点是综合性能比较好，尤其是塑性和冲击韧性较高；②如果钛合金开始变形温度在β转变温度以上，且变形程度又足够大，在α+β两相区结束锻造，则所得到的组织特征是α相勾划出的β晶界遭到不同程度的破碎，导致β晶界轮廓变得不完整、不清晰，条状α相不同程度地发生歪扭，这种组织称为网篮状组织（见图2-3-33b）。这类组织的性能特征是塑性、冲击韧度比魏氏体组织高，高温持久和蠕变性能也较好；③如果钛合金加热到β转变温度以上，但变形程度较小，所得到的组织特征是原始β晶界完整，晶粒比较粗大，晶内的片状（或针状）α相按一定位向排列，即得所谓魏氏体组织图（见图2-3-33c）。这类组织的性能特点是塑性、冲击韧度较低，不过抗蠕变能力较好。

钛合金的室温强度跟钛合金化学成分及组织类型有关。在α钛合金中除TA6、TA7、Ti-2.5Cu具有中等强度外，其他如纯钛、Ti0.18Pd等的强度都低于700MPa，属于低强度高塑性钛合金。（α+β）钛合金其性能特征可分四类：①低强高塑性钛合金。这类钛合金抗拉强度小于700MPa，但塑性好，如TC1等；②中强钛合金。这类钛合金以TC2、TC3为代表，其抗拉强度为750～1000MPa，塑性较好；③以Ti-6Al-4V及Ti-7Al为代表的高强钛合金，其抗拉强度为1050～1400MPa；④工作温度可达450～500℃的耐热钛合金。这类钛合金以TC8及TC9为代表。其抗拉强度为1050～1140MPa。β型钛合金目前的强度水平大约为1400～1500MPa。

钛合金的高温性能的研究工作一直是受到研究者的广泛重视。其α型钛合金TA7、TA8在350℃时抗拉强度大约为430～500MPa；（α+β）型钛合金中的TC1、TC2分别为350MPa、430MPa（350℃时）；TC3、TC4、TC5（400℃时）以及TC6（450℃时）、TC7（500℃时）的抗拉强度大约为600MPa。TC8、TC9可达720～850MPa。为了进一步提高钛合金的高温性能，目前基本上采用三种方法：发展近α型钛合金、弥散强化型钛合金以及金属间化合物TiAl、Ti₃Al为基的TiAl合金。

钛合金的刚性一般是用弹性模量来度量，其数值与晶体点阵中原子间的结合力有着直接的关系，随着原子有序程序的增加而提高，如图2-3-34所示。

图2-3-34 温度对α+β、α₂+B2/O和α₂钛合金弹性模量的影响

加工工艺对钛合金的刚性也会产生一定影响。因为密排六方结构的α相具有明显的各向异性，由于变形时加载方后的改变其织构组织的弹性模量也会明显变化。图2-3-35描述了纵横方向Ti-6Al-4V钛合金弹性模量的差异。横向上，其弹性模量比沿轧制方向上的大。

图2-3-35 织构组织对Ti-6Al-4V钛合金弹性模量的影响

损伤容限性是材料在载荷和缺陷（如裂纹）共同作用下的行为的一种表述，可用断裂韧度来表征，材料损伤与临界条件是正确估算零件寿命，进行安全设计的重要依据。由于钛合金的断裂韧度大约只有钢的一半，因此进一步提高断裂韧度显得很重要。合金元素对钛合金的断裂韧度影响相对较小。亚稳β钛合金的断裂韧度通常优于（α+β）钛合金。然而改变显微组织对钛合金的断裂韧度影响较大。层片状组织的断裂韧度比等轴状组织高。因此，加工工艺是提高钛合金断裂韧度的重要方法。图2-3-36表示了Ti-6Al-4V钛合金显微组织对其断裂韧度的影响。

图2-3-36 显微组织对Ti-6Al-4V钛合金断裂韧度的影响(www.xing528.com)

试验表明，魏氏体组织的断裂韧度高，裂纹扩展速率小；等轴α组织的断裂韧度低，裂纹扩展速率大；网篮状组织介于二者之间。在等轴组织中，初生α相的数量及大小影响钛合金的断裂韧度。初生α的数量减少时，断裂韧度增高。

材料的疲劳性能是材料在循环载荷条件下的行为。损伤的积累过程通常为疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展两个阶段。影响钛合金疲劳性能的因素很多，主要有合金化学成分、显微组织、环境、试验温度及承载条件（如载荷幅度、频率、顺序或平均应力等）。图2-3-37表示热处理和显微组织对Ti-6Al-4V钛合金厚截面锻件疲劳寿命的影响。

α晶粒的大小对钛合金的疲劳强度影响很大，α晶粒愈细疲劳强度愈高，如图2-3-38所示。

图2-3-37 热处理和显微组织对Ti-6Al-4V钛合金厚截面锻件疲劳寿命的影响

1—β退火（1010℃1.5h，空冷+732℃3h，空冷），粗针（α+β） 2—704℃3h，空冷退火，（α+β） 3—（α+β）固溶+时效（954℃1h，水冷+538℃3h，空冷），初生α+时效β 4—β固溶+过时效（1010℃1.5h，水冷+732℃3h，空冷），细针（α+β）

图2-3-38 Ti-6Al-4V钛合金平均的α晶粒大小与平均疲劳强度之间的关系示意图

等轴的初生α含量增加时，钛合金的抗疲劳性提高，但断裂韧度差、蠕变抗力低，持久强度也低；等轴α含量太少时断裂韧度及高温性能虽然增高，但室温塑性降低，故一般初α应控制在15%～45%的范围内。

魏氏体组织的低周疲劳性差，特别是只有平直α组织时，因有应力停滞效应，故低周疲劳降低。如能使α针改变为交叉编织状的网篮组织，则可改善一些低周疲劳性能。