厚钛合金板材的力学性能不均匀性及温度效应

《Journal of Materials Research and Technology》：Mechanical property inhomogeneity and temperature effects in thick titanium alloy plates

　　

全面理解厚钛合金板材的力学性能不均匀性对于提升深海装备的服役性能至关重要。同时，内部燃料电池中液氧产生的极低温度显著影响材料性能。本研究考察了TC4-ELI和Ti80的拉伸性能及夏比冲击韧性（Charpy impact toughness）随取样位置和取向的变化规律，揭示出两种合金均存在显著的不均匀性。进一步研究了TC4-ELI拉伸性能和夏比冲击韧性的温度依赖性，结果表明低温导致强化和脆化。尽管低温下强度急剧升高，TC4-ELI在宽温度范围内仍保持相对稳定的延伸率和冲击韧性。在所研究的温度范围内未观察到明显的韧脆转变。研究结果为改善厚钛合金板材在深海环境中的服役性能提供了有价值的见解，同时支撑了结构服役安全性。

厚钛合金板材力学性能不均匀性与温度效应的系统研究解读

一、研究背景与问题提出

深海蕴藏着丰富的自然资源，深海探索已成为促进全球资源可持续利用和长期发展的重要途径。深海装备外壳长期承受外部高压和海水腐蚀，同时内部燃料电池中液氧产生的超低温环境对结构材料提出了严苛的性能要求。高强钢虽广泛应用于深海装备，但其高密度和较差的耐腐蚀性限制了潜深的进一步增加。相比之下，钛合金凭借低密度、高比强度（specific strength）和优异的耐腐蚀性，成为开发更大潜深和更长服役寿命深海装备的理想候选材料。

然而，钛合金在具备优异强度的同时，往往受限于较低的塑性和韧性，即存在强度-塑性权衡（strength-ductility trade-off）问题。对于厚钛合金板材而言，热轧过程中沿厚度方向可能产生晶粒尺寸、残余应力和相组成的梯度分布，导致不同区域力学性能的不均匀性。此外，多晶钛合金表现出各向异性的弹塑性性能，不同取样方向下激活的滑移系不同，导致宏观力学响应的差异。这种性能不均匀性和各向异性直接影响深海装备结构的安全可靠性，但现有研究对厚板不同厚度层和不同取向的力学性能差异及其低温服役行为缺乏系统认识。

TC4和Ti80合金具有优异的综合性能，已广泛应用于各类深海装备。增加板材厚度可能导致厚钛合金板不同区域力学性能的不均匀性，而内部燃料电池液氧产生的极低温度（最低可达约-183 ℃）进一步影响材料性能。因此，系统研究不同取样方式和不同温度下厚钛合金板材的拉伸性能和冲击韧性，对于深海结构材料的设计与选材具有重要指导意义。

二、研究技术与方法

研究人员采用多种实验表征手段开展系统研究。首先利用电子背散射衍射（EBSD）表征两种合金的初始微观组织，包括反极图（IPF）、相分布图、局部取向差（KAM）图及晶粒尺寸统计。力学性能测试方面，室温拉伸试验按照GB/T 228.1-2021标准，低温拉伸试验按照GB/T 228.3-2019标准，采用SUNS UTM5305S电子万能试验机进行，低温环境通过液氮介质实现，温度精度±2 ℃。夏比冲击试验按照GB/T 229-2020标准，采用NI150C仪器化冲击试验机，最大冲击能量150 J。拉伸断口形貌通过扫描电子显微镜（SEM）观察。试验材料为宝钛集团生产的厚度约86 mm的热轧TC4-ELI和Ti80板材，取样位置包括距表面约10 mm的表层和距表面约43 mm的中心层，取样方向包括轧向（RD）和横向（TD）。

三、研究结果与分析

3.1 初始微观组织差异

EBSD表征结果显示，TC4-ELI呈现典型的双相组织，表层α相体积分数约95.8%，中心约94.7%，β相主要沿晶界分布。Ti80则呈现近α组织，表层和中心α相含量分别高达约99.1%和99.2%，细小的β相分布于晶界处。TC4-ELI的平均晶粒尺寸为表层7.25 μm、中心8.11 μm，略粗于Ti80的表层6.61 μm、中心6.02 μm。两种合金不同取样位置间的微观组织差异总体较小。

3.2 室温力学性能

室温拉伸试验表明，两种合金的总延伸率表现出显著的不均匀性，其中Ti80尤为明显，而屈服强度、抗拉强度和均匀延伸率的差异相对较小。两种合金在TD方向的屈服强度和抗拉强度普遍高于RD方向，表层值高于中心值。TC4-ELI的屈服强度（YS≥855 MPa）和抗拉强度（UTS≥945 MPa）在所有取样位置和取向下均高于Ti80（YS≤775 MPa，UTS≤871 MPa）。TC4-ELI总延伸率范围为13.27%-16.69%，Ti80为14.50%-25.83%，后者对取样位置和取向的敏感性更大。

冲击韧性测试显示两种合金均存在显著的不均匀性，TC4-ELI的偏差更为明显，冲击韧性值从37.5 J到87 J，Ti80从42 J到77 J。两种合金的冲击韧性随取样位置和缺口取向的变化趋势相似，这可能归因于两者相似的热轧工艺导致的α相织构。值得注意的是，两种合金中心位置的冲击韧性均高于表层。

3.3 TC4-ELI低温力学性能

在-183 ℃至25 ℃的宽温度范围内，TC4-ELI的屈服强度和抗拉强度随温度降低而持续升高，-183 ℃时抗拉强度接近1400 MPa。均匀延伸率随温度降低而持续下降，而总延伸率在-100 ℃以上保持稳定，低于该温度后才开始下降。尽管低温下强度急剧增加，合金在全部温度范围内仍保持相对稳定的延伸率，未出现灾难性脆断。冲击韧性随温度降低呈单调下降趋势，-183 ℃时仍保持约15 J以上的冲击韧性值，且未观察到明显的韧脆转变温度。

3.4 断口形貌分析

TC4-ELI在-183 ℃的拉伸断口同时呈现浅韧窝和解理特征，表明其在极低温下仍保有相当的塑性变形能力；室温断口则完全由更深更大的韧窝覆盖，呈现典型延性断裂特征。冲击断口均呈现纤维区、放射区和剪切唇区三个特征区域，随温度升高剪切唇区比例增大，从窄条状演变为宽连续带，表明最终断裂阶段具有显著的剪切塑性变形抗力。

四、研究结论与意义

研究得出以下主要结论：两种合金在取样位置和取向上均表现出显著的力学性能不均匀性，强度在TD表层最高、RD中心最低；TC4-ELI强度普遍高于Ti80，但Ti80总延伸率对取样位置的敏感性更大；冲击韧性对微观组织和取向变化的敏感度高于拉伸性能；低温导致TC4-ELI强化和脆化，但即使在-183 ℃仍保持约10%总延伸率和约16 J冲击韧性，未出现明显韧脆转变。从室温到-183 ℃，TC4-ELI的抗拉强度从约945 MPa增至约1400 MPa，总延伸率从约16%降至约10%，冲击韧性从约37 J降至约16 J。该研究为厚钛合金板材在深海极端环境下的结构选材和服役安全评估提供了重要的实验依据和理论支撑。论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。