发布日期：2025-11-19 10:14:58
TC4钛合金(Ti-6Al-4V)作为一种典型的α+β双相合金，凭借其高比强度、优异的耐腐蚀性及生物相容性，被广泛应用于航空航天、医疗器械及海洋工程等领域。然而，其力学性能高度依赖于加工过程中的组织演变。热变形工艺(如锻造、轧制)通过调控动态再结晶程度与α片层厚度，直接影响材料的强韧性匹配。因此，明确变形量对TC4合金组织与性能的影响规律，对优化工艺参数、提升零部件服役性能具有重要意义。现有研究表明，TC4合金在热变形过程中，α相动态再结晶程度与变形量呈正相关，但过量变形可能导致微裂纹产生，进而削弱材料韧性。此外，变形量对α相形态(等轴状或片层状)的调控作用显著影响材料的强韧性。然而，针对宽范围变形量(40%～80%)下TC4方棒的综合性能研究仍存在不足，尤其是强塑性协同优化区间需进一步明确。
一、研究内容与方法
本文以TC4钛合金方棒为研究对象，化学成分如表1所示，方棒经过开坯锻造+单相区镦拔+双相区热锻工艺最终实现40%～80%变形量(图1)，并设置空白对照(未变形)，通过显微镜(OM)表征不同变形量试样的显微组织，结合拉伸试验与冲击试验量化塑韧性指标，系统揭示变形量对组织-性能关联性的影响机制，并筛选出强韧性匹配最佳的工艺窗口。
表 1 铸锭化学成分（%，质量分数）
| 位置 | Al | V | Fe | C | N | H | O |
| 头 | 6.6 | 4.3 | 0.20 | 0.009 | 0.007 | 0.0013 | 0.17 |
| 中 | 6.6 | 4.3 | 0.20 | 0.02 | 0.009 | 0.0017 | 0.16 |
| 底 | 6.6 | 4.2 | 0.20 | 0.008 | 0.009 | 0.0015 | 0.17 |
二、显微组织演变规律
微组织演变规律对图2所示不同变形量下的显微组织演变进行分析，可得出以下规律：未变形状态下，材料呈现典型等轴组织特征，初生α相平均尺寸约为20μm，α片层呈现较大宽厚比，且β转变组织占比相对较低；当变形量提升至40%～60%区间时，组织逐渐演变为由等轴α相和β转变组织构成的双态组织，其中等轴α相体积分数较原始组织下降15%～20%，同时β转变组织中的α片层呈现明显细化趋势；在70%～80%高变形量条件下，由于热锻加工过程中的温升效应，促使等轴α相体积分数进一步降低至30%以下，此时显微组织以β转变组织为主，其内部α片层经剧烈塑性变形后显著细化，宽度最小为0.5～1μm，并且长宽比进一步增大。
三、性能分析
1、强度与塑性指标
表2为方棒不同变形量性能数据，由表可知：抗拉强度与屈服强度随变形量增加呈先升后降趋势，50%变形量时，抗拉强度与屈服强度分别达927.5MPa和860MPa，强度提升归因于细晶强化与位错强化协同作用；而超过50%后，强度小幅下降；断后伸长率与断面收缩率在50%变形量时同步优化(A=18%，Z=47.5%)，表明材料兼具高塑性储备与均匀变形能力；高变形量下，断面收缩率虽增至50%，但断后伸长率波动显著(17%～15.5%)，反映局部脆性断裂倾向。
表 2 TC4 方棒不同变形量性能数据
| 项目 | 未变形 | 40% 变形量 | 50% 变形量 | 60% 变形量 | 70% 变形量 | 80% 变形量 | ||||||||||||
| 实测值 | 实测值 | 均值 | 实测值 | 实测值 | 均值 | 实测值 | 实测值 | 均值 | 实测值 | 实测值 | 均值 | 实测值 | 实测值 | 均值 | 实测值 | 实测值 | 均值 | |
| Rₘ/MPa | 945 | 895 | 920 | 905 | 935 | 920 | 925 | 930 | 928 | 925 | 890 | 908 | 930 | 925 | 928 | 930 | 925 | 928 |
| Rₚ₀.₂/MPa | 875 | 820 | 848 | 830 | 860 | 845 | 860 | 860 | 860 | 860 | 815 | 838 | 850 | 850 | 850 | 860 | 855 | 858 |
| A/% | 13.5 | 14.5 | 14 | 16 | 16.5 | 16.3 | 18.5 | 17.5 | 18 | 18.5 | 15.5 | 17 | 14.5 | 16.5 | 15.5 | 15.5 | 16.5 | 16 |
| Z/% | 42 | 46.5 | 44.3 | 42 | 36.5 | 39.3 | 49.5 | 45.5 | 47.5 | 49.5 | 50.5 | 50 | 43.5 | 48.5 | 46 | 47 | 45 | 46 |
| KU₂/J | 42 | 38 | 40 | 40 | 38 | 39 | 38 | 35 | 36.5 | 36 | 40 | 38 | 40 | 40 | 40 | 36 | 44 | 40 |
2、冲击韧性
冲击吸收能量(KU2)在50%变形量时均值为36.5J，较材料未变形情况下降8.5%，但数据离散度最低(标准差±1.5J)，表明韧性稳定性最佳。80%变形量时，KU2回升至40J，数据波动加剧(±4J)，实际服役可靠性降低。
3、强韧性匹配机制
50%变形量下，双态组织协同强化效应显著，其中细化的等轴α晶粒通过Hall-Petch效应提升强度；同时，均匀的双态结构有效抑制裂纹扩展路径，实现晶界强化与相界强化的协同作用，实现强度-塑性-韧性的最优平衡。
综合组织与性能分析，50%变形量为强韧性匹配最佳区间。
强度指标：Rm与Rp0.2分别达峰值927.5MPa与860MPa，满足高载荷结构件需求。塑性指标：A与Z均值分别为18%与47.5%，优于其他变形量。韧性稳定性：KU2离散度最低，抗动态冲击性能可靠。
对比60%～80%变形量，尽管断面收缩率略高，但冲击吸收能量波动与强度下降表明其适用于静态载荷场景，而50%变形量更适应复杂工况。
结论
⑴组织优化机制：在50%变形量条件下，TC4钛合金的动态再结晶过程趋于充分且均匀，晶粒细化至约15μm，α相呈现高度等轴化分布。双态协同强化效应显著，其中细化的等轴α晶粒通过HallPetch效应提升强度；同时，均匀的双态结构有效抑制裂纹扩展路径，实现晶界强化与相界强化的协同作用，为材料综合性能优化提供微观基础。
⑵性能峰值区间：试验数据表明，50%变形量下材料呈现最优强塑性匹配，抗拉强度与屈服强度分别达到927.5MPa和860MPa，断后伸长率和断面收缩率同步优化至18%与47.5%，冲击吸收能量稳定在36.5J(标准差±1.5J)。此状态下，高强度指标与高塑性储备的协同作用显著，既满足高载荷工况的强度需求，又通过均匀变形能力降低脆性断裂风险，体现了强度-塑性-韧性三者的最佳平衡。
⑶工艺窗口建议：基于组织稳定性与性能可靠性，建议实际加工中将变形量控制在40%～60%之间。
具体而言，下限(40%)可避免低变形量(<40%)导致的锻造力不能渗透到材料心部的问题；上限(60%)可规避高变形量(>60%)引发冲击吸收能量离散度增加(±4J)等问题。
该工艺窗口兼顾生产效率与性能稳定性，适用于航空航天紧固件等对强韧性匹配要求严苛的领域。
（注，原文标题：TC4钛合金方棒不同变形量对组织与性能的影响研究）