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材料成型基本原理课后***后续段
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你可能喜欢ＴＣ４钛合金的高温变形行为研究_金属冶金_中国百科网
ＴＣ４钛合金的高温变形行为研究
陆燕玲1，张贤锴1，焦四海1，马天军2，沈建国1
（1．宝钢研究院冶金工艺研究所，
2．宝钢特殊钢分公司技术中心）
摘要：利用Thermrc& mater－Z热模拟试验机，研究ＴＣ４钛合金在850～1150℃和应变速率为0.5～30ｓ－1的高温变形行为，分析了变形温度、应变速率对ＴＣ４热变形行为的作用及影响规律。结果表明，变形温度和应变速率对合金流变应力有显著影响，流变应力随变形温度升高而降低，随应变速率提高而增大。在较高的温度条件下，应力应变曲线趋于水平，变形机制为动态回复；在较低的温度下，应力应变曲线具有明显的峰值，变形机制为晶界滑移和动态再结晶，其转折温度在相变点附近。在此温度附近，变形激活能不同，（α ＋β）两相区变形激活能为862.5KJ／mol，β区变形激活能为200.6KJ／mol，并利用Zener?Hollomon参数建立了ＴＣ４的本构方程，为该合金热变形工艺的制定提供了参考依据。
&&& &ＴＣ４（Tｉ－6AL－4V）是一种中等强度的α＋β型钛合金，含有6％的α稳定元素Aｌ和4％的β稳定元素V。ＴＣ４钛合金由于具有优异的综合性能和良好的工艺特性，广泛应用于航空航天业和各种民用工业，其产量占所有钛合金的一半以上。近年来，有限元软件在材料加工过程中得到了越来越广泛的应用，为了充分发挥这种技术的优势，必须精确知晓所加工材料的流变应力，这对于提高模拟精度以及设备选择、加工工艺规程的制定均具有重要意义。流变应力是表征材料塑性成形性能的一个基本指标，受变形温度、应变速率、变形程度及合金化学成分等因素的影响。ＴＣ４钛合金由于在加工过程中变形抗力大，多采用热成型方法。本文研究了ＴＣ４合金的热变形行为，建立了不同温度区间的本构方程，为其热加工工艺的制定提供了理论和试验依据。
１ 试验方法
&&&& &本试验所用的材料为宝钢特殊钢分公司提供的热轧态Φ50的ＴＣ４棒材，其化学成分见表1，原始组织为典型的细小等轴组织，α晶粒平均直径约为10μｍ。该合金的相变点为975℃。
&&&&&& 热压缩试样从圆棒上纵向截取，尺寸为?8×12ｍｍ。试验在Tｈｅｒｍｅｃｍａｓｔｅｒ－Z型热模拟试验机上进行，试样采用感应加热方式升温。试验时变形温度分别为：850，900，950，，℃；变形速率分别为：0.5，5.3ｓ－1；变形程度为50％，即真应变为0.69。试样以10℃／ｓ的速率升温至变形温度，保温5ｍｉｎ，变形后以10℃／ｓ的速率降至室温。
２ 结果与讨论
２．１ 变形工艺参数对流变应力的影响
&& && 变形温度、应变速率和变形程度对ＴＣ４钛合金高温流变应力的影响，如图1所示。可以看出，随着变形温度的升高和应变速率的减小，合金的流变应力降低，其中变形温度的影响作用最大。在应变速率为30ｓ－1的条件下，当变形温度由850℃ 升高至1150℃ 时，流变应力峰值由339.85MPa下降至72.38MPa。在变形温度为1000℃的条件下，变形速率由0.5ｓ－1升高至30ｓ－1时，流变应力峰值由45.01MPa升高至112.62MPa，表明ＴＣ４为正应变速率敏感材料。这主要是由于应变速率的增加使得动态回复和再结晶难以充分完成，导致合金塑性降低，流动应力提高。
&& 由图1可知，在试验变形温度和应变速率范围内，ＴＣ４钛合金应力应变曲线形状虽然不同，但都有应力峰值出现，且随着变形温度降低，峰值前移。在ＴＣ４钛合金的两相区（850～950℃），曲线达到峰值后迅速下降，存在明显的峰值，表明软化机制以动态再结晶为主。在高温相区（℃），曲线趋于水平，没有明显的峰值，表明软化机制以动态回复为主。这是由于在上述高温时，ＴＣ４已处于单一的β相，属于体心立方结构，容易发生位错的交滑移所致。
２．２ 本构关系的建立
&&& & 金属的高温变形是一个热激活过程，在此过程中，应变速率和温度对流动应力的影响至关重要，它们之间的关系可以用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程［１－３］表示：
&&&&& 将ＴＣ４应力—应变数据进行处理，分别作ｌｎσｐ－ｌｎ?ε和σ－ｌｎ?ε两条关系曲线并进行回归，如图2所示。可以看出，850～1150℃变形时，ＴＣ４合金的ｌｎσｐ－ｌｎ?ε和σ－ｌｎ?ε均较好地满足线性关系，由式（4）、（5）可知，ｎ、β分别为图2（ａ）、（ｂ）直线斜率的倒数，取平均值得：ｎ＝7.01746，β＝0.07346，故α＝β／ｎ＝0.01049。其中，低温段：α＝0.0055；高温段：α＝0.0166。
&&& 对式（3）取对数可得：
&&&&& ln?ε＝lnＡ＋ｎln［sin ｈ（ασ）］－Q／（RT） （6）&&&
&&&& 将试验结果作出ｌｎ?ε－ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］关系图，如图３所示。
&& 从图中可以看出，lnε－ln［ｓｉｎｈ（ασ）］近似成直线关系。经回归可得其斜率倒数的平均值为4.57618。在式（6）中，令Ｃ1 ＝（lnε－lnＡ）／ｎ，C2 ＝Q／（1000ｎR），可得：ln［ｓｉｎｈ（ασ）］＝C1＋C2·1000／T （7）作ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］－1000／T的关系图，如图4所示。可以看出，在不同的温度区间，曲线具有不同的斜率，其算术平均值在低温和高温段分别为23.865。说明ＴＣ４合金在所试验温度范围具有不同的变形激活能，这与以前的报道有所不同［4］。
&&&&& 经过计算，ＴＣ４在不同的温度区间得到不同的变形激活能，表明在不同的温度区间可能具有不同的变形机制。α－Tｉ自扩散Q＝170ｋJ／ｍｏｌ，β－Tｉ的自扩散Ｑ＝153ｋJ／ｍｏｌ［5］。作者计算得到的β相区变形激活能与之较为接近，表明ＴＣ４在β相区的变形主要由自由扩散控制。但是，两相区变形激活能远远大于钛合金的自扩散Ｑ，表明变形是由扩散以外的过程控制。一般认为晶界滑移是（α＋β）区的主要变形机制［6－7］。有研究表明，金属的热变形激活能与自有扩散激活能相近，适合于发生动态回复的情况。对于发生动态再结晶的情况，热变形激活能往往比自扩散激活能大的多。本文计算得到ＴＣ４在低温段激活能为862.524ｋJ／ｍｏｌ，表明ＴＣ４在变形过程中发生了动态再结晶。
２．３ Ｚ参数与流变应力的关系
&&&&& 1944年，Zｅｎｅｒ和Hｏｌｌｏｍｏｎ提出并试验验证了应变速率和温度的关系［8］：
&&&&&& 将Ｑ值代入式（8）求得Z值，并作ｌｎZ－ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］关系图，见图5。从图5可以看出，ｌｎZ－ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］很好地符合线性关系，进一步说明了ＴＣ４钛合金高温压缩变形时的流变应力、应变速率和温度之间的关系可以用式（３）加以描述。ｎ即为斜率，ｌｎＡ为截距。据图5求得：
（1）变形温度和应变速率对ＴＣ４合金的流变应力有显著影响。流变应力随变形温度的升高而降低，随应变速率的提高而增大。
（2）ＴＣ４钛合金变形温度在750～950℃时，应力应变曲线具有明显的峰值，变形机制为晶界滑移和动态再结晶；变形温度高于1000℃时，应力应变曲线趋于水平，变形机制为动态回复。
（3）ＴＣ４在两相区的激活能为862.5ｋJ／ｍｏｌ，在相区的激活能为200.6ｋJ／ｍｏｌ。
（4）建立了ＴＣ４合金的本构方程如式（12、13）。
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