TC2钛合金是一种典型的α+β型钛合金，重要化学成分为Ti-4Al-1.5Mn，其优异的抗氧化机能和杰出的力学机能使其成为高温结构利用的梦想资料，宽泛利用于航空航天、能源、化工设备以及高温容器等领域
。随着中国航空航天事业的急剧发展，对钛合金在高温等极端环境下的机能要求日益提高，焊接造作工艺优化对其服役机能的影响也受到宽泛关注
。在造作和服役过程中，钛合金需接受高温、高压等极端工况，因而，精确评估其在高温环境下的力学机能对于确保结构安全性和服役靠得住性至关沉要
。

现有钻研已从多个层面探求了钛合金的高温机能演变
。部门学者从显微组织角度启程，分析了分歧钛合金（如Ti600、Ti-60）的组织相变法规和微观结构特点对高温力学机能的影响
。也有学者聚焦于热处置工艺及宏观机能评估
。莫晓飞等对ZTA29铸造钛合金的热处置工艺与高温力学机能的关系进行了钻研
。王华等通过节造热处置前提，探求了TC11钛合金的显微组织与机能变动
。另表，还有学者直接发展了高温拉伸试验钻研，对Ti65、TB17、TC21、TA15、Ti60等钛合金进行了力学机能测试和对比分析，为高温服役设计提供了沉要参考
。然而，相迸宗其他钛合金，对TC2钛合金高温力学机能的钻研仍显不及
。现有钻研重要关注TC2钛合金焊缝与母材机能以及高温变形行为，尚不足系统的高温力学机能评估及相应的预测模型
。

因而，本钻研通过稳态拉伸试验，系统地钻研了TC2钛合金在20~700℃领域内的力学机能（蕴含弹性模量、屈服强度、极限强度和断后伸长率），并将试验了局与国内钢结构规范的模型预测了局和已有同类TC4钛合金实测值进行了对比分析，深刻探求了分歧温度下的失效模式、微观组织以及相变机造对力学机能的影响
。在此基础上，还推导了TC2钛合金在高温下力学机能的预测模型，可为工程设计中合理选材和确保高温环境下结构安全性提供靠得住凭据
。

1、试验资料与步骤

1.1试样造备

试验选用直径φ40mm的TC2钛合金棒材作为试验资料，化学成分见表1
。高温拉伸试样按GB/T228.2-2015《金属资料拉伸试验第2部门：高温试验步骤》规范造备，取样地位及试样几何状态与尺寸如图1所示，两端加工出30mm长的M12螺纹，通过转换接头与试验机不变衔接
。

表1 TC2钛合金的化学成分（质量分数，%）

1.2拉伸试验步骤

高温单轴拉伸试验在MTS370电液伺服试验机上进行，最大额定荷载为100kN，加载行程±75mm，最大加载速度为50mm/s
。试验过程中，使用MTS653高温炉对试样进行加热，该炉温控领域为100~900℃，可实现长度为100mm的恒温带
。为确保温度在整个恒温带内均匀散布，炉内设置了上、钟注下3个区间的电阻丝加热，并在相应地位安插了热电偶进行实时的温度监控
。试样表表同样也安插测温热电偶来精确丈量试样的温度，确保试验过程中试样温杜纂炉内温度维持一致
。

本次试验选择了8个温度工况，别离为20（室温）、100、200、300、400、500、600和700℃
。为获得不变的高温力学机能数据，选取稳态加载方式进行
。每次加热至指标温度后，在该温度下维持15min，以确保炉内温度和试样温度均匀散布
。试验通过位移节造进行加载，加载速度为0.02mm/s，直至试样粉碎
。整个加载过程中的应变数据由MTS632接触式引伸计进行丈量，并通过数据采集系统以40Hz的频率进行纪录，以确保数据的正确性和靠得住性
。

1.3宏微观组织表征

对实现拉伸测试的试样进行宏微观断口描摹和显微组织分析，其中微观组织观察面别离为断口左近的纵截面和靠近夹持段的横截面
。用于微观结构表征的试样均选取尺度金相技术进行切割和造备，而后利用蔡司AXIOImagerM2m光学显微镜（OM）以及加快电压20kV的OXFORDApreos场发射扫描电镜（SEM）进行观察，选取Pro-imaging软件对显微孔洞、晶间β相面积分数进行定量分析
。

2、高温拉伸试验了局

2.1应力-应变曲线

TC2钛合金在分歧温度下的拉伸应力-应变曲线如图2所示
。凭据曲线状态大体分为3个阶段：弹性阶段、硬化阶段和软化阶段
。在所有试验温度下，曲线未观察到显著的屈服平台，这可能与TC2合金的成分和热处置工艺亲昵有关
。在曲线的初始阶段，应力随应变线性增长，并迅速达到屈服强度；随后，应力、应变的关系变为非线性，直至达到极限强度
。超过极限强度后，应力随着应变的增长降落，直至断裂
。随着温度的升高，曲线中的弹性部门逐步缩短，且斜率显著减幼，屈服强度和极限强度逐步降落
。在300、400℃下，应力-应变曲线阐发出类似的状态，直到软化阶段才出现差距
。在600、700℃下，硬化阶段实现较为迅速，软化阶段则阐发得越发平缓
。

2.2高温力学机能

TC2钛合金的高温力学机能对于高温环境下的结构设计和安全评估拥有沉要意思
。资料在高温前提下的弹性模量（ET）、屈服强度（fy,T）、极限强度（fu,T）以及断后伸长率（AT）等参数会显著影响其在极端环境中的合用性和靠得住性
。本钻研中，力学机能的折减系数被界说为高温下机能值与室温机能值的比值，以表征高温对资料机能的影响
。本钻研参考了GB51249-2017《构筑钢结构防火技术规范》中对结构钢高温力学机能的描述模型，结合已有的TC4钛合金高温力学机能实测值，对TC2钛合金高温力学机能进行了对比分析
。TC2钛合金的高温力学机能推算了局汇总于表2
。

表2 分歧温度下TC2钛合金的高温力学机能及折减系数

图3为TC2钛合金高温力学机能折减系数与GB51249-2017模型预测值的对比
。由图3(a)可见，随着温度的升高，TC2钛合金弹性模量折减系数（ET/E20）和GB51249-2017模型预测值均出现显著降落趋向
。然而，二者的降落速度阐发出肯定的差距：GB51249-2017模型预测值降落速度持续增大而后减幼，而TC2钛合金在200℃出现拐点，阐发为先增大后减幼再增大的变动趋向
。在100~500℃温度领域内，TC2钛合金弹性模量折减系数略低于GB51249-2017模型预测值，最大误差呈此刻200℃
。在500~600℃时，TC2弹性模量折减系数与GB51249-2017模型预测值极度靠近
。然而，在700℃时，TC2弹性模量折减系数为0.378，高于GB51249-2017预测值0.210
。总体来看，GB51249-2017中模型在100~500℃区间内的预测存在肯定的误差，弹性模量被高估，在500~600℃的中高温区间，其预测了局与试验值高度吻合，在700℃时，其预测偏于守旧，低估了资料的弹性模量
。

由于TC2钛合金的应力-应变曲线没有显著的屈服平台，且在GB51249-2017规范中未明确划定高温下屈服强度确定选取的偏移应变水平
；谕ㄓ貌街，试验选取0.2%偏移应变来确定TC2钛合金的有效屈服强度（f0.2,T）
。图3(b)为TC2钛合金屈服强度折减系数（f0.2,T/f0.2,20）与GB51249-2017模型预测值及TC4钛合金实测值的比力
Ｄ芄豢闯，当温度低于600℃时，TC2钛合金屈服强度折减系数显著低于GB51249-2017预测值，尤其在300℃时，预测值为1.000，而TC2钛合金的实测值仅为0.662
。这批注，在中低温区间内，GB51249-2017对钛合金屈服强度的预测存在较大误差，可能会高估资料的现实承载能力
。然而，在600~700℃高温下，TC2钛合金的实测值与GB51249-2017预测值根基吻合
。与TC4钛合金相比，TC2钛合金在200~700℃领域内均阐发出较高的屈服强度折减系数，尤其在500℃时，TC2和TC4钛合金的屈服强度折减系数别离为0.573和0.450，差距显著
。总体来看，随着温度升高，TC2钛合金屈服强度折减系数出现降落趋向，但其在整个温度领域内的屈服强度机能均优于TC4钛合金，这批注TC2钛合金在高温前提下具备优越的承载能力
。

图3(c)为TC2钛合金极限强度折减系数（fu,T/fu,20）随温度变动的情况
。随着温度的升高，TC2和TC4钛合金的极限强度折减系数均出现显著的降落趋向
。然而，两者的变动特点存在肯定差距：TC2钛合金的降落速度在温度领域内出现颠簸，先减幼后增大，而TC4钛合金的降落速度则较为安稳
。在200~600℃领域内，TC2钛合金的极限强度折减系数略高于TC4，最大误差呈此刻400℃
。在600~700℃高温下，TC2和TC4钛合金的极限强度折减系数逐步趋于一致，差距极幼
。这批注，在极高温度下，两种钛合金的资料机能衰减法规趋于类似
。值妥贴心的是，在700℃时，TC2和TC4钛合金的极限强度折减系数均降至约0.214，降低了80%，批注在高温环境下，两种钛合金的资料机能衰减靠近极限状态
。

图3(d)为TC2钛合金的断后伸长率折减系数（AT/A20）的变动趋向
Ｄ芄豢闯，随着温度的升高，TC2和TC4钛合金的断后伸长率折减系数阐发出分歧的变动法规
。对于TC2钛合金，断后伸长率折减系数随着温度升高逐步增大，且增长速度也逐步加快，阐发出较强的温度依赖性；而TC4钛合金则出现出先增大后减幼的趋向
。在200~400℃领域内，TC2和TC4钛合金的断后伸长率折减系数极度靠近，且未阐发出显著的增长
。当温度达到400℃时，TC2和TC4钛合金的断后伸长率折减系数均出现显著增长，这批注在此温度领域内资料的塑性变形能力得到大幅提升
。出格是TC4钛合金，在600℃后其断后伸长率折减系数增长速度进一步加快，并在800℃时达到最大值，尔后迅速降落
。总体而言，TC2和TC4钛合金在200~700℃温度领域内断后伸长率折减系数阐发靠近
。

综上，随着温度的升高，TC2钛合金的弹性模量、屈服强度、极限强度的折减系数出现先急剧降落（20~100℃温区），而后降落速度变缓（200~500℃温区），最后降落速度急速增长（600~700℃温区）的法规；断后伸长率折减系数则先出现较为平缓，维持根基不变（20~500℃温区），后急速增长（600~700℃温区）的法规
。

2.3拉伸断裂模式

TC2钛合金高温拉伸试样的宏观断口描摹如图4所示
。试样根基在标距段产生断裂，断裂特点随着温度的升高阐发出显著的变动
。在20、100℃下，断裂面平坦且光滑，未出现显著的塑性变形，阐发出典型的脆性断裂特点
。随着温度升高至200~500℃，试样的断裂面逐步变得粗糙，起头出现颈缩景象，阐发出肯定的延展性
。当温度升高至600、700℃时，试样的断裂特点产生显著变动，出现出典型的杯锥形断口，断后伸长率显著增长，颈缩景象越发显著，阐发出显著的塑性变形
。这批注随着拉伸温度的升高，TC2钛合金的塑性显著提高，资料在高温下的变形能力加强，断裂个性逐步从脆性转向韧性
。此表，随着拉伸温度的升高，TC2钛合金试样表表氧化水平加沉，色彩变动显著，总体趋向为银白色（20、100℃）?银灰色（200、300℃）?黄棕色（400、500℃）?蓝紫色（600、700℃）
。TC2钛合金氧化色彩差距的性质重要是氧化膜厚引起的光过问效应，以及高温氧化产生的TiO₂晶体结构变动共同作用的了局
。

图5为分歧拉伸温度下，TC2钛合金的拉伸断口中心区域的微观描摹
？杉，分歧温度下试样断口的微观描摹均为等轴韧窝，同时随着温度的升高，韧窝均匀直径变动不大，尺寸在0.03~0.04mm
。在20、100℃下，韧窝较为平展
。随着温度升高至200~500℃，韧窝有肯定深度，注明微区的塑性变形能力加强
。当温度升高至600、700℃时，断口的微观描摹产生显著变动，韧窝深度较大，出现大量显微孔洞，孔洞被拉长，孔洞之间的扯破越发剧烈，注明塑性变形能力显著增长
。

图6为分歧拉伸温度下TC2钛合金试样靠近夹持段未显著变形区域的横截面显微组织
。观察发现20~500℃拉伸温度下，体心立方（BCC）晶体结构的晶间β相（玄色条状描摹）和密排六方（HCP）晶体结构的α相（白色描摹）面积分数未见显著变动，其中晶间β相面积分数在10%左右，α相面积分数高达90%（见图6(a~c)）
。当温度升高至600、700℃时，晶间β相面积分数增长至13%左右，相对应的α相面积分数有肯定水平降落（见图6(d)），这注明当温度升高至600、700℃时，由于靠近β相区温度，产生肯定水平的α→β转变，较α相高温塑性更好的晶间β相含量增长，从而提高了资料的塑性
。

图7、图8为分歧温度下TC2钛合金拉伸断口左近纵截面组织描摹，表3为对应温度下断口左近显微孔洞和晶间β相面积分数
。从图7能够看出，20~500℃下，显微孔洞均呈等轴描摹，600、700℃下，显微孔洞转变为沿轴向散布的条状描摹
。20~700℃温度下，α相和晶间β相均沿轴向拉长并产生肯定水平的变形，放大观察可见，20~200℃温度下，α相和晶间β相描摹呈沿轴向的层状结构（见图8(a)），在300~500℃时，α相和晶间β相层状结构有肯定水平破碎（见图8(b)），α相和晶间β相在600~700℃呈碎片颗粒状（见图8(c)），这与Koike等在对TC4钛合金800℃等温压缩试验后发现层片状α相的破碎描摹一致，该景象可能是由晶界割裂机造导致
。

表 3 分歧温度下 TC2 钛合金的拉伸断口左近各组织面积分数（%）

从表3能够得出，随着温度升高，显微孔洞含量出现线性逐步增长趋向，但变动不显著，不超过2.5%
。晶间β相面积分数出现先增长，后有肯定水平降落，而后又升高的趋向，相对应的α相含量出现相反的变动趋向
。在20~100℃时，晶间β相面积分数在11.0%~12.9%；当温度升高至200~300℃时，晶间β相面积分数增长了险些一倍；400~500℃晶间β相面积分数降落约5%；600~700℃晶间β相面积含量在400~500℃的基础上增长了10%左右
。上述晶间β相面积分数较图6对应温度下整体存在显著增长
。这可能是由于热变形过程中，变形应力为相变提供驱动力，由于变形过程中溶质元素的扩散前提和扩散特点与未变形分歧，两相的平衡状态产生变动，从而推进或抑造相变
。同时随着温度的升高（200~300℃），开动的滑移面和滑移系增长，α相主导变形，晶间β相提供肯定延展性，位错活动相对容易，变形应力推进了晶间β相析出
。当温度升高至400~500℃，晶间β相含量有肯定水平降落，这是由于：一方面，Liu等指出钛合金在β转变温度下变形，变形过程贮存的能量导致了系统偏离平衡状态，某种水平会抑造α→β相的转变，故晶间β相的含量会有肯定水平降落；另一方面，钛合金通过变形会产生应力诱发马氏体相转变，这会减弱β相的不变性，变形变得相对难题，这也诠氏缢弹性模量、屈服强度、极限强度的折减系数在200~500℃降落速度变缓
。凭据Clausius-Clapeyron方程，变形温度越高，应力诱发马氏体相转变的临界应力就越大，因而，提高变形温度（600~700℃）抑造了应力诱发马氏体析出，加强β相的不变性，使得该温度区间的力学机能有大幅度变动
。

2.4预测模型

GB51249-2017尺度仅提供了弹性模量和屈服强度的高温折减预测模型，且其对TC2钛合金高温力学机能的预测成效并不梦想
。为更正确地描述TC2钛合金在高温前提下的力学机能变动法规，本文基于试验实测数据，并参照GB51249-2017中多项式大局预测模型，推导了新的预测模型，用于预测TC2钛合金的弹性模量折减系数（E_T/E₂₀）、屈服强度折减系数（f^0.2,T/f_0.2,20）、极限强度折减系数（f_u,T/f_u,20）以及断后伸长率折减系数（AT/A20）的演化情况，如公式（1）~（4）所示：

通过回归分析，新推导模型的回归系数介于0.989~0.999之间，拟合精度较高
。图9为新推导模型的预测值与TC2钛合金实测值的对比情况
Ｄ芄豢闯，模型预测值与实测值在演化趋向和具体数值上根基吻合，批注新推导模型拥有较高的预测精度
。必要把稳的是，由于本文所参照的TC2钛合金力学机能实测数据的温度领域为20~700℃，因而新推导模型的合用性也限于该温度领域内
。超出此领域的高温预测成效需进一步试验验证或建改优化
。

3、结论

随着拉伸温度升高，TC2钛合金的弹性模量、屈服强度和极限强度均呈降落趋向，但整体机能优于TC4钛合金，而断后伸长率随温度升高而逐步增长，在600~700℃高温区间增长速度显著加快
。此表，与GB51249-2017中模型预测值相比，600℃以下TC2钛合金的弹性模量和屈服强度折减系数存在肯定误差，而在600~700℃领域内预测了局较为吻合
。

拉伸试验温度升高，导致TC2钛合金的断裂模式由脆性断裂向延性断裂转变，其断口描摹由平坦光滑逐步演变为杯锥状特点，微观韧窝加深，塑性显著提升
。其力学机能演化受温度软化与晶间β相变动的共同作用
。β相面积含量在20~700℃内呈非线性颠簸，别离在200~300℃与600~700℃达到峰值，而在400~500℃降至低谷，并与力学机能变动趋向对应
。在600~700℃区间，变形应力促使β相不变动，从而提高资料的延展性
。

基于实测数据构建了TC2钛合金的弹性模量、屈服强度、极限强度和断后伸长率的折减预测模型，各模型预测值与实测值在20~700℃领域内根基吻合，回归系数均介于0.989~0.999之间，拟合精度较高
。

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（注，原文标题：TC2钛合金的高温力学机能及预测模型）