引言

TC4钛合金是一种典型的α+β型合金，，该合金集诸多卓越机能于一身，，使其在多个领域中展示出宽泛的利用价值[1]。！！Ｔ诤娇辗⑵鸹幸抵衃2]，，TC4钛合金轻质高强、、、耐高和善耐委顿的个性使其成为关键部件的梦想选择，，极大地提高了发起机的效能和耐用性。！！Ｔ诤Ｑ蠊こ讨衃3]，，由于其优异的耐侵蚀性和优良的抗应力侵蚀开裂能力，，其被用于制作船舶结构和海底设备，，确保了设备在极端海洋环境中的靠得住运行。！！４送猓，在化工行业[4]，，TC4钛合金因其能接受刻薄的化学环境而不被严重侵蚀，，保障了设备的持久不变运行。！！

当前，，TC4钛合金的出产工艺钻研重要依赖于传统的铸造和轧制技术，，这两种步骤在从前的工业出产中阐扬了重要作用。！！Ｈ欢，随着全球钛行业的迅猛发展，，尤其是对轻量化、、、高强度和高精度要求的现代工业利用，，传统的加工工艺已无法满足要求，，出格是在出产钛合金薄板方面[5]。！！０驳轧技术作为一种创新的出产方式，，其可能在维持资料原有优异机能的同时，，实现薄板的高效出产，，极大地提升了出产效能和产品质量。！！０驳轧法出产薄板通常蕴含两个关键步骤：：：首先，，通过陆续换向轧制工艺，，将初始板坯轧制至约指标尺寸的3倍。！！；；；幌蛟制的作用在于均匀化板材的横向和纵向组织以及力学机能。！！Ｆ浯危，将2~4片板材叠置在双层钢套内（类似眉山治式的结构），，而后进一步对叠加板材进行轧制，，逐步减小厚度，，直达到到所需的制品薄板尺寸。！！Ｍü嗖鉚C4钛合金资料进行精确堆叠和陆续变形，，能够得到厚度更薄、、、均匀性更好的薄板产品，，满足了现代工业对于薄板资料精密化和大批量出产的火急需要[6]。！！

因而，，本文使用包覆叠轧工艺对TC4钛合金进行轧制，，最终制成两种分歧厚度的板材，，钻研包覆叠轧工艺对TC4钛合金板材微观组织描摹、、、物相组成、、、晶粒取向以及力学机能的影响，，添补并美满现有轧制工艺，，为TC4钛合金薄板的工程化利用提供参考。！！

1、、、试验资料与步骤

本钻研以TC4钛合金为钻研资料，，其化学成分（质量分数，，%）为5.9Al、、、4.3V、、、0.13O、、、0.11Fe、、、余量Ti。！！Ｑ∪2450mm多辊轧机，，通过包覆叠轧工艺将其别离轧制成厚0.5mm与3.0mm的两种规格钛合金板材。！！Ｔ谑迪衷制加工后，，对板材进行780℃×2h，，空冷退火处置。！！

别离沿两种规格板材的轧制方向（RD）和横向（TD）切割试样，，用于微观组织观察与拉伸机能测试。！！Ｔ谖⒐圩橹治龇矫妫，使用Axio光学显微镜观察板材的微观描摹，，并通过ZIESS扫描电镜进行高倍组织描摹以及拉伸断口描摹观察，，使用ZIESS扫描电镜自带的背散射电子衍射分析仪进行EBSD测试，，并使用Channel5软件对测试了局进行分析。！！Ｔ诶旎懿馐苑矫妫，通过INSTRON全能试验机在室温前提下进行轧制方向（RD）和横向（TD）拉伸试验，，为确保了局的靠得住性，，每次测试采集3组数据取均匀值。！！０宀奈⒐圩橹约袄焓匝榈木咛迦⊙较蛞约袄焓匝叽缛缤1所示。！！

2、、、试验了局与会商

2.1微观组织

图2为两种分歧厚度钛合金板材的显微组织特点。！！７⑾志制后的板材，，其微观组织重要由α相以及未齐全消融的残留β彼此订交错组成，，且α相重要以等轴状为主，，同时存在少量藐小线条状描摹，，而残留β相则散布于分歧描摹的α相之间。！！Ｔ制组织中除晶粒细化成效显著外，，还有极度显著的轧制痕迹。！！Ｕ馐怯捎诎宀脑谠制过程中组织内部粗壮晶粒产生破碎并产生回复与再结晶，，这会使产生破碎的晶粒逐步转变为描摹为等轴状的α相，，而未产生再结晶的晶粒，，其状态则是条状描摹特点[7]。！！

由图2还可发现，，0.5mm厚板材RD方向出现显著的带状组织（见图2(a)中地位A），，这是由于板材在轧制变形过程中，，柱面和基面的滑移重要沿c轴进行，，导致晶粒维持原有的分列，，而锥面的滑移则陪伴着晶粒的倾斜，，进而促使部门区域产生旋转或再结晶[8]。！！Ｔ3.0mm厚板材组织中，，板材RD方向并未出现极度显著的带状组织，，仅有少量的α相晶粒呈拉长描摹。！！Ｇ伊街趾穸鹊陌宀淖橹校，TD方向的组织中均未发现带状描摹或被拉长α相晶粒出现，，二者TD方向均重要是以藐小且等轴的α晶粒组成，，这是由于在TD方向上，，滑移和变形的方式分歧于RD方向，，导致出现了分歧的微观组织状态。！！

2.2拉伸机能

板材在拉伸过程中，，当应力沿着组织的界面扩大时，，会遭逢肯定阻力，，且组织中产生的位错会在α相与β相之间的界面上堆集，，形成位错塞积。！！Ｔ诶┐罅盐萍舛俗魇咕⒁约拔淮砣者共同作用下，，会有细小空腔在α/β相界面内形成。！！５弊橹行纬煽隙ㄊ康奈⒖锥春螅，众多的微孔洞会以聚合大局逐步发展，，最终导致合金的整体断裂[9]。！！

图3为分歧厚度钛合金板材的拉伸机能。！！６员确⑾郑，经历更大变形量的0.5mm厚板材的TD方向强度更高，，抗拉强度（Rm）为1038MPa，，屈服强度（0.2）为980MPa。！！Ｕ馐怯捎诮洗蟮男伪浠崾棺橹诓烤褰峁咕蟮幕洌，贮存了大量的应变能。！！Ｕ庵钟Ρ湮俳峋魏颂峁┝烁嗟牡匚唬，使得晶粒变得越发藐小[10]。！！４罅康拿晷【Я；；；嵩椒⒂行У毓收衔淮砘疃，使得位错在晶粒内部更容易被阻塞，，形成了密集的位错塞积群。！！Ｎ朔这种位错阻塞，，必要施加更大的外部拉力能力使位错重新移动，，正是这种位错活动碰壁和所需的额外拉应力，，使得0.5mm厚板材的强度显著提升[11]。！！

此外，，两种厚度TC4钛合金板材不仅展示出优异的强度，，还具备良好的塑性。！！Ｔ诎宀牡奈⒐圩橹校，其α晶粒重要阐发为等轴状，，这种晶粒结构拥有高度的对称性和协调性，，使得各个晶面之间的滑移更为顺畅。！！５戎幡料嗟奶氐阍谟谡加卸喔鲇行У幕葡担，这使得组织在受到拉应力作用时，，这些滑移系能够等闲地启动，，从而分散应力的散布，，而不是集中在极少数晶粒上，，有效地预防了应力集中景象的产生，，降低了脆性断裂的风险，，从而使板材在具备较高强度的同时，，还拥有较优异的塑性[12]。！！3.0mm厚板材RD方向塑性较高，，此时板材的断后伸长率（A）为20%，，但两种厚度板材的塑性整体差距较小。！！

2.3各向异性

由图3可知，，分歧厚度板材的RD与TD方向强度之间均存在肯定的差值，，其中，，0.5mm厚板材的抗拉强度差值为20MPa，，3.0mm厚板材的抗拉强度差值为25MPa。！！Ｓ捎陬押辖鹬笑料辔芘帕浇峁梗，而β相为体心立方结构，，二者拥有分歧的晶格类型，，它们在空间上的分列方式和原子间的相互作用分歧。！！７从吃诩忌希，这些分歧的晶格结构对应着分歧的对称性，，这对合金力学机能会产生显著的影响[13]。！！

由于钛合金拥有密排六方结构，，其在轧制变形过程中，，0001 为最重要滑移面。！！９识苑制绾穸劝宀脑赗D与TD方向 0001 的极图进行分析，，如图4所示。！！７⑾0.5mm厚板材的RD方向没有显著的取向集中景象，，即织构并不显著，，而在TD方向的极图中，，发现其存在极度显著的取向集中，，其最大极密度值为8.63，，此时极图为显著的混合型织构，，即存在B型与T型的混合织构。！！

除微观组织以及极图外，，对分歧厚度TC4钛合金板材各向异性进前进一步分析。！！Ｔ陬押辖鹚苄员湫蔚墓讨校，其基面滑移是钛合金变形过程中最为重要的塑性变形机制，，该滑移系的活动水平重要受到Schmid因子的影响[14]。！！６鳶chmid因子是晶体塑性理论中的一个重要参数，，用于描述晶粒取向与施加应力方向之间的关系，，其巨细会直接影响拉伸过程中滑移系的启动能力。！！６杂陬押辖鸲裕，当合金阐发出的拉伸强度较低时，，其Schmid因子较大。！！Ｕ馐怯捎诤辖鹪谑芾煊ακ保，较大的Schmid因子意味着有关的滑移系更容易启动，，合金更容易产生塑性变形，，即此时合金的强度较低。！！６闲〉腟chmid因子则会导致其有关的滑移系难以进行启动，，合金若要产生塑性变形则必要在拉伸过程中施加更高的外力，，故此时合金的强度起头增长[15]。！！Ｕ庵植罹嘀匾怯捎诜制缇ЯＨ∠蛟斐傻模，由于分歧晶粒的Schmid因子分歧，，导致其内部滑移系的启动能力有所分歧。！！９识粤街趾穸萒C4钛合金板材的基面滑移系 0001<1120>进行Schmid因子推算，，从而进一步分析板材产生各向异性的深档次原因，，了局如图5所示。！！

由图5可见，，两种厚度板材的基面滑移系Schmid因子的颠簸领域重要在0~0.5之间。！！Ｔ谡飧隽煊蚰冢，板材分歧拉伸方向所对应的Schmid因子散布出现出显著的差距。！！Ａ街趾穸劝宀木荝D方向的Schmid因子在0.4~0.5领域内的比例最高。！！Ｕ庖馕蹲旁赗D方向上容易产生滑移，，从而导致资料的拉伸强度较低。！！Ｗ凵戏治觯，由于RD方向基面滑移系上的Schmid因子散布都集中在较高的值域，，导致板材在特定方向上容易产生滑移，，从而降低了资料的拉伸强度，，即Schmid因子增大是板材RD方向拉伸强度较低的另一个重要原因。！！

2.4拉伸断口描摹

图6揭示了两种厚度TC4钛合金板材经拉伸试验后，，其断口所展示的微观断裂描摹特点。！！７⑾至街趾穸劝宀牡亩峡诿枘〉奈⒐鄄忝嫔铣鱿殖鱿招┮谎奶氐悖，其重要的韧窝特点阐发为等轴状韧窝描摹（见图6(a)中地位B）。！！Ｈ臀咽呛辖鸲狭压讨械男纬傻奈⒐劢峁固氐悖，其含量和描摹对合金的塑性有着显著的影响。！！５崩於峡诘娜臀咽拷隙嗲疑疃冉仙钍保，这意味着板材在断裂过程中经历了较大的塑性变形，，这种变形可能吸收和分散能量，，显示出合金在接受外力作用时的优良延展性和吸收应力的能力。！！

由图6还可发现，，两种厚度板材在拉伸过程中都展示出了较好的塑性，，即板材在受到拉伸时，，可能有效地吸收和分散能量，，因而其塑性优良[16]。！！Ｓ胪2所出现了局相一致。！！３戎嶙慈臀淹猓，在板材TD方向的拉伸断口中还观察到部门浮泛的出现（见图6(d)中地位C）。！！Ｕ馐怯捎诹盐圃诶┐蠊讨校，当其尖端遇到α晶粒时，，由于晶界的反对作用和晶粒间应力的不均匀散布，，容易在裂纹尖端引发严重的应力集中景象。！！Ｕ庑┯α械慊峥酥屏盐频闹毕呃┐螅，导致裂纹产生绕弯和偏转的景象，，裂纹在持续前行的过程中，，会沿着晶界的交汇点进行移动，，这种反复穿梭的过程造成炼泛的形成[17]。！！９矢》旱某鱿址从沉税宀哪诓课淮淼睦刍蜕⒉迹，它们在裂纹扩大时起到了故障作用，，从而导致板材在TD方向的强度较高。！！

3、、、结论

1）包覆叠轧TC4钛合金板材的微观组织重要由α相以及未齐全消融的残留β彼此订交错组成，，α相的状态出现出多样性，，残留β相则散布于分歧描摹的α相之间。！！Ｔ制变形量大的0.5mm厚板材的RD方向出现显著的带状组织，，而3.0mm厚板材组织中仅有少量的α相晶粒出现拉长描摹。！！

2）包覆叠轧变形量较大时，，TC4钛合金板材TD方向强度较高，，而变形量较小板材RD方向塑性较高，，但两种厚度板材的塑性整体差距化较小。！！0.5mm厚板材TD方向抗拉强度为1038MPa，，屈服强度为980MPa；；；3.0mm厚板材RD方向断后伸长率为20%。！！

3）包覆叠轧板材的RD与TD方向强度之间均存在肯定的差值，，产生各向异性的原因是分歧拉伸方向的组织中存在织构差距导致，，即TD方向的强度较高是由于该方向的组织中存在显著的B型与T型的混合织构，，且RD方向基面滑移系上的Schmid因子散布都集中在较高的值域，，导致该方向上容易产生滑移，，从而降低了资料的拉伸强度。！！

4）包覆叠轧两种厚度板材的断口描摹险些一样，，其重要特点均为等轴状韧窝描摹，，除等轴状韧窝，，发此刻板材TD方向的还有部门浮泛出现，，从而导致板材在TD方向的强度较高。！！

参考文件：：：

[1] Wang H, Bai Q, Chen S, et al. Suppression mechanism of diamond tool wear by graphene nanofluid in micro-milling of Tc4 alloy: A study combining experimental and molecular dynamics [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2024, 115: 310-322.

[2] Yin Z, Cheng J C, Dai C W, et al. Generation mechanism of the surface morphology on tilted ultrasonic elliptical vibration cutting Tc4 titanium alloy[J]. Precision Engineering, 2024, 88: 135-147.

[3] Feng F, Li J J, Huang L, et al. Thermoplastic forming of Tc4 titanium alloy sheet by direct pulse current electromagnetic forming[J]. Journal of Materials Science, 2022, 57(29): 14082-14095.

[4] Tong S, Ma Z C, Sun Y, et al. Temperature-induced enhancement of tensile strength of perforated Ti-6Al-4V sheet revealed through mechanical-thermal coupling quasi-static tension[J]. Materials Science and Engineering A, 2022, 845: 143235.

[5] Zhao Z L, Ji H C, Zhong Y Z, et al. Mechanical properties and fracture behavior of a Tc4 titanium alloy sheet[J]. Materials, 2022, 15 (23): 8589.

[6] 王伟, 周尚琪, 高鹏辉, 等. 退火温度对 Tc4 钛合金热轧板材的显微组织、、、织构和力学机能影响[J]. 资料钻研学报, 2023, 37 (1): 70-80.

Wang Wei, Zhou Shangqi, Gong Penghui, et al. Effect of anneal treatment on microstructure, texture and mechanical properties of Tc4 alloy plates [J]. Chinese Journal of Materials Research, 2023, 37(1): 70-80.

[7] 王俊, 冯秋元, 雷捷, 等. 退火温度对低成本 TC4LCA 钛合金板材组织和机能的影响[J]. 金属热处置, 2022, 47(11): 82-86.

Wang Jian, Feng Qiuyuan, Lei Ting, et al. Effect of annealing temperature on microstructure and properties of low cost TC4LCA titanium alloy plate [J]. Heat Treatment of Metals, 2022, 47(11): 82-86.

[8] 马佳艳, 张苗, 冯军宁, 等. 热处置温度对 Tc4 钛合金板材组织与力学机能的影响[J]. 钛工业进展, 2023, 40(6): 27-30.

Ma Jakun, Zhang Miao, Feng Junning, et al. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Tc4 titanium alloy sheets [J]. Titanium Industry Progress, 2023, 40(6): 27-30.

[9] 吕明飞, 曹刚, 齐航, 等. 双重退火工艺对 TC4 钛合金板材组织和机能的影响[J]. 金属世界, 2024(1): 66-69.

Ju Chaofei, Miao Yang, Qi Hang, et al. Effect of double annealing process on microstructure and properties of TC4 titanium alloy sheet [J]. Metal World, 2024(1): 66-69.

[10] 张苗, 孙梦奇, 马佳艳, 等. TA15 钛合金中极组织与力学机能钻研[J]. 钛工业进展, 2023, 40(4): 40-43.

Zhang Miao, Sun Mengqi, Ma Jakun, et al. Study on microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy medium plate[J]. Titanium Industry Progress, 2023, 40(4): 40-43.

[11] 徐梦奇, 刘仁慈, 黄海广, 等. TA10 钛合金热轧板材显微组织及其机能[J]. 特种铸造及有色合金, 2023, 43(4): 543-549.

Xu Mengxi, Liu Renci, Huang Haiguang, et al. Microstructure and properties of hot continuous rolling plate of TA10 titanium alloy[J]. Special Casting and Nonferrous Alloys, 2023, 43(4): 543-549.

[12] 王学杰, 杨铮, 赵小龙. 分歧热处置制度对 Cr. 38 钛合金板材的组织机能的影响[J]. 锻压技术, 2024, 49(3): 202-206.

Wang Xingyun, Yang Zheng, Zhao Xiaolong. Influence of different heat treatment systems on microstructure and properties of Cr. 38 titanium alloy plate[J]. Forging and Stamping Technology, 2024, 49 (3): 202-206.

[13] 张雄, 张然, 张晴, 等. 轧制温度与变形量对 TB2 钛合金微观组织和力学机能的影响[J]. 金属热处置, 2023, 48(2): 206-211.

Zhang Xiong, Jing Ran, Zhang Qing, et al. Effect of rolling temperature and amount on microstructure and mechanical properties of TB2 titanium alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2023, 48(2): 206-211.

[14] Liu B, Liu C L, Li X W, et al. Aging treatment induces the preferential crystallographic orientation of α, in the near-α titanium alloy Ti60[J]. Metals, 2024, 14(5): 602-613.

[15] Wang B N, Zeng W D, Zhao Z B, et al. Effect of micro-texture and orientation incompatibility on the mechanical properties of Ti60 alloy [J]. Materials Science and Engineering A, 2023, 881: 145419.

[16] He R X, Peng H T, Liu F L, et al. Crack initiation mechanism and life prediction of Ti60 titanium alloy considering stress ratios effect in very high cycle fatigue regime[J]. Materials, 2022, 15(8): 2800.

[17] 姬忠硕, 袁清杰, 张麦仓. Tc4 合金高温拉伸机能及其与织构的关键性[J]. 资料热处置学报, 2018, 39(8): 28-37.

Ji Zhongshuo, Yuan Jingjun, Zhang Maicang. High temperature tensile properties of Tc4 alloy and its relationship with texture[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2018, 39(8): 28-37.

[18] 刘畅, 董月成, 方志刚. 新型高强韧 Ti-Al-Fe-B 系钛合金组织和机能钻研[J]. 罕见金属资料与工程, 2020, 49(5): 1607-1613.

Liu Chang, Dong Yuecheng, Fang Zhigang. Microstructure evolution and mechanical properties of new Ti-Al-Fe-B titanium alloy with high strength and ductility[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(5): 1607-1613.

[19] 安霞, 李英晨, 王琛, 等. Ti55521I 钛合金片层组织拉伸过程裂纹扩大的 SEM 原位观察[J]. 罕见金属资料与工程, 2019, 48(3): 853-858.

An Zhen, Li Tianqi, Wang Chen, et al. In-situ SEM observations on tensile deformation behavior of Ti55521I titanium alloy with lamellar structure[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48(3): 853-858.

[20] Zhang M Y, Yun X B, Fu H W. Effect of BASC and BASCA heat treatment on microstructure and mechanical properties of TC10 titanium alloy[J]. Materials, 2022, 15(22): 8249.

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