极端高温环境下TC2钛合金力学性能及工程化预测方法研究——针对航空航天化工等领域高温服役需求，系统研究20~700℃下TC2钛合金力学性能衰减规律，对比分析与TC4钛合金的高温性能优势，提供科学选材与安全评估依据

TC2钛合金是一种典型的α+β型钛合金，主要化学成分为Ti-4Al-1.5Mn，其优异的抗氧化性能和出色的力学性能使其成为高温结构应用的理想材料，广泛应用于航空航天、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快速发展，对钛合金在高温等极端环境下的性能要求日益提高，焊接制造工艺优化对其服役性能的影响也受到广泛关注。在制造和服役过程中，钛合金需承受高温、高压等极端工况，因此，精确评估其在高温环境下的力学性能对于确保结构安全性和服役可靠性至关重要。

现有研究已从多个层面探讨了钛合金的高温性能演变。部分学者从显微组织角度出发，分析了不同钛合金（如Ti600、Ti-60）的组织相变规律和微观结构特征对高温力学性能的影响。也有学者聚焦于热处理工艺及宏观性能评估。莫晓飞等对ZTA29铸造钛合金的热处理工艺与高温力学性能的关系进行了研究。王华等通过控制热处理条件，探讨了TC11钛合金的显微组织与性能变化。另外，还有学者直接展开了高温拉伸试验研究，对Ti65、TB17、TC21、TA15、Ti60等钛合金进行了力学性能测试和对比分析，为高温服役设计提供了重要参考。然而，相比于其他钛合金，对TC2钛合金高温力学性能的研究仍显不足。现有研究主要关注TC2钛合金焊缝与母材性能以及高温变形行为，尚缺乏系统的高温力学性能评估及相应的预测模型。

因此，本研究通过稳态拉伸试验，系统地研究了TC2钛合金在20~700℃范围内的力学性能（包括弹性模量、屈服强度、极限强度和断后伸长率），并将试验结果与国内钢结构规范的模型预测结果和已有同类TC4钛合金实测值进行了对比分析，深入探讨了不同温度下的失效模式、微观组织以及相变机制对力学性能的影响。在此基础上，还推导了TC2钛合金在高温下力学性能的预测模型，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可靠依据。

1、试验材料与方法

1.1试样制备

试验选用直径φ40mm的TC2钛合金棒材作为试验材料，化学成分见表1。高温拉伸试样按GB/T228.2-2015《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》规范制备，取样位置及试样几何形状与尺寸如图1所示，两端加工出30mm长的M12螺纹，通过转换接头与试验机稳定连接。

表1 TC2钛合金的化学成分（质量分数，%）

1.2拉伸试验方法

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，该炉温控范围为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分布，炉内设置了上、中、下3个区间的电阻丝加热，并在相应位置布置了热电偶进行实时的温度监控。试样表面同样也布置测温热电偶来精确测量试样的温度，确保试验过程中试样温度与炉内温度保持一致。

本次试验选择了8个温度工况，分别为20（室温）、100、200、300、400、500、600和700℃。为获得稳定的高温力学性能数据，采用稳态加载方式进行。每次加热至目标温度后，在该温度下保持15min，以确保炉内温度和试样温度均匀分布。试验通过位移控制进行加载，加载速率为0.02mm/s，直至试样破坏。整个加载过程中的应变数据由MTS632接触式引伸计进行测量，并通过数据采集系统以40Hz的频率进行记录，以确保数据的准确性和可靠性。

1.3宏微观组织表征

对完成拉伸测试的试样进行宏微观断口形貌和显微组织分析，其中微观组织观察面分别为断口附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采用标准金相技术进行切割和制备，然后利用蔡司AXIOImagerM2m光学显微镜（OM）以及加速电压20kV的OXFORDApreos场发射扫描电镜（SEM）进行观察，采用Pro-imaging软件对显微孔洞、晶间β相面积分数进行定量分析。

2、高温拉伸试验结果

2.1应力-应变曲线

TC2钛合金在不同温度下的拉伸应力-应变曲线如图2所示。根据曲线形态大致分为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，曲线未观察到明显的屈服平台，这可能与TC2合金的成分和热处理工艺密切相关。在曲线的初始阶段，应力随应变线性增加，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下降，直至断裂。随着温度的升高，曲线中的弹性部分逐渐缩短，且斜率明显减小，屈服强度和极限强度逐渐下降。在300、400℃下，应力-应变曲线表现出相似的形态，直到软化阶段才出现差异。在600、700℃下，硬化阶段结束较为迅速，软化阶段则表现得更加平缓。

2.2高温力学性能

TC2钛合金的高温力学性能对于高温环境下的结构设计和安全评估具有重要意义。材料在高温条件下的弹性模量（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适用性和可靠性。本研究中，力学性能的折减系数被定义为高温下性能值与室温性能值的比值，以表征高温对材料性能的影响。本研究参考了GB51249-2017《建筑钢结构防火技术规范》中对结构钢高温力学性能的描述模型，结合已有的TC4钛合金高温力学性能实测值，对TC2钛合金高温力学性能进行了对比分析。TC2钛合金的高温力学性能计算结果汇总于表2。

表2 不同温度下TC2钛合金的高温力学性能及折减系数

图3为TC2钛合金高温力学性能折减系数与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模型预测值均呈现显著下降趋势。然而，二者的下降速率表现出一定的差异：GB51249-2017模型预测值下降速率持续增大而后减小，而TC2钛合金在200℃出现拐点，表现为先增大后减小再增大的变化趋势。在100~500℃温度范围内，TC2钛合金弹性模量折减系数略低于GB51249-2017模型预测值，最大偏差出现在200℃。在500~600℃时，TC2弹性模量折减系数与GB51249-2017模型预测值非常接近。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℃区间内的预测存在一定的偏差，弹性模量被高估，在500~600℃的中高温区间，其预测结果与试验值高度吻合，在700℃时，其预测偏于保守，低估了材料的弹性模量。

由于TC2钛合金的应力-应变曲线没有明显的屈服平台，且在GB51249-2017规范中未明确规定高温下屈服强度确定采用的偏移应变水平。基于通用方法，试验采用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钛合金实测值的比较。可以看出，当温度低于600℃时，TC2钛合金屈服强度折减系数明显低于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。这表明，在中低温区间内，GB51249-2017对钛合金屈服强度的预测存在较大偏差，可能会高估材料的实际承载能力。然而，在600~700℃高温下，TC2钛合金的实测值与GB51249-2017预测值基本吻合。与TC4钛合金相比，TC2钛合金在200~700℃范围内均表现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分别为0.573和0.450，差异明显。总体来看，随着温度升高，TC2钛合金屈服强度折减系数呈现下降趋势，但其在整个温度范围内的屈服强度性能均优于TC4钛合金，这表明TC2钛合金在高温条件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）随温度变化的情况。随着温度的升高，TC2和TC4钛合金的极限强度折减系数均呈现显著的下降趋势。然而，两者的变化特征存在一定差异：TC2钛合金的下降速率在温度范围内出现波动，先减小后增大，而TC4钛合金的下降速率则较为平稳。在200~600℃范围内，TC2钛合金的极限强度折减系数略高于TC4，最大偏差出现在400℃。在600~700℃高温下，TC2和TC4钛合金的极限强度折减系数逐渐趋于一致，差别极小。这表明，在极高温度下，两种钛合金的材料性能衰减规律趋于相似。值得注意的是，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%，表明在高温环境下，两种钛合金的材料性能衰减接近极限状态。

图3(d)为TC2钛合金的断后伸长率折减系数（AT/A20）的变化趋势。可以看出，随着温度的升高，TC2和TC4钛合金的断后伸长率折减系数表现出不同的变化规律。对于TC2钛合金，断后伸长率折减系数随着温度升高逐渐增大，且增长速率也逐步加快，表现出较强的温度依赖性；而TC4钛合金则呈现出先增大后减小的趋势。在200~400℃范围内，TC2和TC4钛合金的断后伸长率折减系数非常接近，且未表现出明显的增长。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加，这表明在此温度范围内材料的塑性变形能力得到大幅提升。特别是TC4钛合金，在600℃后其断后伸长率折减系数增长速率进一步加快，并在800℃时达到最大值，此后迅速下降。总体而言，TC2和TC4钛合金在200~700℃温度范围内断后伸长率折减系数表现接近。

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呈现先快速下降（20~100℃温区），然后下降速率变缓（200~500℃温区），最后下降速率急速增加（600~700℃温区）的规律；断后伸长率折减系数则先呈现较为平缓，保持基本不变（20~500℃温区），后急速增加（600~700℃温区）的规律。

2.3拉伸断裂模式

TC2钛合金高温拉伸试样的宏观断口形貌如图4所示。试样基本在标距段发生断裂，断裂特征随着温度的升高表现出明显的变化。在20、100℃下，断裂面平整且光滑，未出现明显的塑性变形，表现出典型的脆性断裂特征。随着温度升高至200~500℃，试样的断裂面逐渐变得粗糙，开始出现颈缩现象，表现出一定的延展性。当温度升高至600、700℃时，试样的断裂特征发生显著变化，呈现出典型的杯锥形断口，断后伸长率显著增加，颈缩现象更加明显，表现出明显的塑性变形。这表明随着拉伸温度的升高，TC2钛合金的塑性显著提高，材料在高温下的变形能力增强，断裂特性逐步从脆性转向韧性。此外，随着拉伸温度的升高，TC2钛合金试样表面氧化程度加重，颜色变化明显，总体趋势为银白色（20、100℃）￫银灰色（200、300℃）￫黄棕色（400、500℃）￫蓝紫色（600、700℃）。TC2钛合金氧化颜色差异的本质主要是氧化膜厚引起的光干涉效应，以及高温氧化产生的TiO₂晶体结构变化共同作用的结果。

图5为不同拉伸温度下，TC2钛合金的拉伸断口中心区域的微观形貌。可见，不同温度下试样断口的微观形貌均为等轴韧窝，同时随着温度的升高，韧窝平均直径变化不大，尺寸在0.03~0.04mm。在20、100℃下，韧窝较为平坦。随着温度升高至200~500℃，韧窝有一定深度，说明微区的塑性变形能力增强。当温度升高至600、700℃时，断口的微观形貌发生明显变化，韧窝深度较大，出现大量显微孔洞，孔洞被拉长，孔洞之间的撕裂更加剧烈，说明塑性变形能力明显增加。

图6为不同拉伸温度下TC2钛合金试样靠近夹持段未明显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（黑色条状形貌）和密排六方（HCP）晶体结构的α相（白色形貌）面积分数未见明显变化，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相面积分数增加至13%左右，相对应的α相面积分数有一定程度下降（见图6(d)），这说明当温度升高至600、700℃时，由于接近β相区温度，发生一定程度的α→β转变，较α相高温塑性更好的晶间β相含量增加，从而提高了材料的塑性。

图7、图8为不同温度下TC2钛合金拉伸断口附近纵截面组织形貌，表3为对应温度下断口附近显微孔洞和晶间β相面积分数。从图7可以看出，20~500℃下，显微孔洞均呈等轴形貌，600、700℃下，显微孔洞转变为沿轴向分布的条状形貌。20~700℃温度下，α相和晶间β相均沿轴向拉长并发生一定程度的变形，放大观察可见，20~200℃温度下，α相和晶间β相形貌呈沿轴向的层状结构（见图8(a)），在300~500℃时，α相和晶间β相层状结构有一定程度破碎（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相的破碎形貌一致，该现象可能是由晶界分裂机制导致。

表 3 不同温度下 TC2 钛合金的拉伸断口附近各组织面积分数（%）

从表3可以得出，随着温度升高，显微孔洞含量呈现线性逐渐增加趋势，但变化不明显，不超过2.5%。晶间β相面积分数呈现先增加，后有一定程度下降，然后又升高的趋势，相对应的α相含量呈现相反的变化趋势。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相面积分数增加了几乎一倍；400~500℃晶间β相面积分数下降约5%；600~700℃晶间β相面积含量在400~500℃的基础上增加了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明显增加。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条件和扩散特征与未变形不同，两相的平衡状态发生变化，从而促进或抑制相变。同时随着温度的升高（200~300℃），开动的滑移面和滑移系增加，α相主导变形，晶间β相提供一定延展性，位错运动相对容易，变形应力促进了晶间β相析出。当温度升高至400~500℃，晶间β相含量有一定程度下降，这是由于：一方面，Liu等指出钛合金在β转变温度下变形，变形过程储存的能量导致了系统偏离平衡状态，某种程度会抑制α→β相的转变，故晶间β相的含量会有一定程度下降；另一方面，钛合金通过变形会发生应力诱发马氏体相转变，这会减弱β相的稳定性，变形变得相对困难，这也解释了弹性模量、屈服强度、极限强度的折减系数在200~500℃下降速率变缓。根据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，因此，提高变形温度（600~700℃）抑制了应力诱发马氏体析出，增强β相的稳定性，使得该温度区间的力学性能有大幅度变化。

2.4预测模型

GB51249-2017标准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钛合金高温力学性能的预测效果并不理想。为更准确地描述TC2钛合金在高温条件下的力学性能变化规律，本文基于试验实测数据，并参照GB51249-2017中多项式形式预测模型，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。可以看出，模型预测值与实测值在演化趋势和具体数值上基本吻合，表明新推导模型具有较高的预测精度。需要注意的是，由于本文所参照的TC2钛合金力学性能实测数据的温度范围为20~700℃，因此新推导模型的适用性也限于该温度范围内。超出此范围的高温预测效果需进一步试验验证或修正优化。

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下降趋势，但整体性能优于TC4钛合金，而断后伸长率随温度升高而逐步增加，在600~700℃高温区间增长速率显著加快。此外，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一定偏差，而在600~700℃范围内预测结果较为吻合。

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，其断口形貌由平整光滑逐步演变为杯锥状特征，微观韧窝加深，塑性显著提升。其力学性能演化受温度软化与晶间β相变化的共同作用。β相面积含量在20~700℃内呈非线性波动，分别在200~300℃与600~700℃达到峰值，而在400~500℃降至低谷，并与力学性能变化趋势对应。在600~700℃区间，变形应力促使β相稳定化，从而提高材料的延展性。

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℃范围内基本吻合，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钛合金的高温力学性能及预测模型）