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TC1鈦合金的高溫流變行為

2015-03-17 15:13:58歐陽金棟陳明和劉慧慧王輝王琦趙海艷
機械工程材料 2015年11期
關鍵詞:本構鈦合金高溫

歐陽金棟,陳明和,劉慧慧,王輝,王琦,趙海艷

(1.江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司660所,南昌 330024;2.南京航空航天大學機電工程學院,南京 210016;3.西安航空發(fā)動機(集團)有限公司,西安 710021)

0 引 言

TC1鈦合金具有密度小、比強度高、熱塑性優(yōu)良、耐蝕性好等優(yōu)點,在航空、宇航、造船、醫(yī)療器械等方面獲得了廣泛應用[1-3]。然而,TC1鈦合金在常溫下的塑性較差,成形困難,通過熱塑性成形可以解決這一難題,同時還可以改善它的組織和性能。流變應力是材料力學性能和顯微組織變化的綜合體現(xiàn)[4-5]。系統(tǒng)研究材料的流變應力可以為鈦合金的塑性成形提供參考。

目前,國內(nèi)外對TC1鈦合金的研究主要集中于應力松弛及其成形性能等方面[6-8],而不同條件下成形時其力學性能的變化規(guī)律還沒有人進行系統(tǒng)的研究,而且,高溫成形時流變應力的變化規(guī)律難以描述。李楓等[9]通過熱拉伸研究發(fā)現(xiàn),LY12M 鋁合金板同步冷卻熱拉伸并固溶時效后的性能得到了很大改善,屈服強度、抗拉強度都有很大提高;申發(fā)蘭[10]通過熱拉伸試驗研究發(fā)現(xiàn)TA15合金的高溫流變應力隨溫度升高而降低,隨應變速率增大而增大。

為了得到不同溫度和應變速率下TC1鈦合金流變應力的變化規(guī)律,作者通過熱拉伸試驗研究了變形溫度、應變速率對TC1鈦合金流變應力的影響,觀察了在不同變形溫度和應變速率條件下的組織演變,最后根據(jù)熱拉伸試驗數(shù)據(jù)建立了高溫形變本構方程,為TC1鈦合金板材熱成形工藝的制訂及數(shù)值模擬提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為1mm厚的冷軋TC1鈦合金板,其化學成分如表1所示。高溫拉伸試樣采用精細電火花線切割加工而成,其形狀和尺寸如圖1所示。先去除線切割試樣的毛刺,然后用酒精擦拭表面。試驗前試樣表面需噴氮化硼以防止表面氧化。

高溫拉伸試驗在RG2000-2A型微機控制的電子萬能試驗機上進行,變形溫度為650~750℃,應變速率為0.0005~0.01s-1。高溫拉伸試驗采用三段圓式電阻爐進行加熱,溫度升至預定溫度后保溫5min,然后進行試驗。拉伸后的試樣立即進行水淬處理,以保留變形后的組織。由計算機系統(tǒng)控制位移、速度等變形條件以及采集載荷、位移等數(shù)據(jù),通過計算得到真應力-真應變曲線。

表1 試驗用TC1鈦合金板的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of tested TC1titanium alloy sheet(mass) %

圖1 高溫拉伸試樣的尺寸Fig.1 Dimension of high temperature tensile sample

采用奧林巴斯GX71型光學顯微鏡觀察顯微組織,腐蝕劑由 HF、HNO3、H2O按體積比為1∶3∶10混合而成。

2 試驗結果與討論

2.1 真應力-真應變曲線

由圖2可以看出,在給定的熱拉伸試驗條件下,TC1鈦合金板的流變應力呈現(xiàn)出如下的變化規(guī)律:首先隨真應變的增加而迅速增大,出現(xiàn)峰值后逐漸緩慢下降;當變形溫度一定時,流變應力隨應變速率的增大而增大;當應變速率相同時,在相同的應變下,變形溫度越高,對應的流變應力越低;隨著變形溫度升高和應變速率降低,試樣發(fā)生斷裂時的最終應變增大,即伸長率增大,這說明伸長率與變形溫度成正比,與應變速率成反比;在變形溫度超過700℃且應變速率小于0.0018s-1時,拉伸流變應力曲線出現(xiàn)明顯的波動。

圖2 TC1鈦合金板在不同溫度和應變速率下的真應力-真應變曲線Fig.2 True stress-true strain curves of TC1titanium alloy sheet at different temperatures and strain rates

高溫下拉伸時流變應力變化的主要原因如下[11]。其一,隨著溫度升高,熱激活作用增強,金屬原子的平均動能增加,原子振動的振幅增大,導致位錯與空位的活動性提高、滑移系增多,從而使得塑性增強,強度降低;同時,在高溫下拉伸時發(fā)生的動態(tài)回復與動態(tài)再結晶對TC1鈦合金產(chǎn)生了一定的軟化作用,這些因素的綜合作用使得臨界切應力下降,從而導致流變應力減小。其二,隨著應變速率增大,TC1鈦合金的形變存儲能增加,塑性變形不能在變形體內(nèi)充分完成,更多地表現(xiàn)為彈性變形,這樣將使加工硬化效果更加明顯,因而流變應力增大。

2.2 顯微組織

由圖3可以看出,TC1鈦合金板的原始組織由白色的α相和黑色的β相組成,為典型的雙相組織;在650,700,750 ℃下以0.01s-1的應變速率拉伸后,晶粒尺寸沒有發(fā)生明顯的變化,只是沿縱向拉伸方向被拉長了,結合流變應力曲線可知此時材料內(nèi)部發(fā)生了動態(tài)回復,動態(tài)再結晶不明顯。在上述溫度下變形時,由于應變速率較高(0.01s-1),形變時間較短,原子擴散得不充分,位錯來不及抵消,從而導致位錯密度越來越高,這時即使是溫度達到了材料的再結晶溫度,原子活動能力提高了,也仍然來不及通過形核及長大的再結晶過程使晶體中的位錯數(shù)量大幅減少。所以650,700,750℃下以0.01s-1的應變速率拉伸后,TC1鈦合金板的軟化機制以動態(tài)回復為主。

由圖4可知,與原始組織相比,TC1鈦合金在750℃以0.01s-1的應變速率拉伸后,只是晶粒沿縱向被拉長,其它沒有明顯變化??梢?,當變形溫度為750℃時,較高的應變速率不足以使TC1鈦合金發(fā)生再結晶;當應變速率減小到0.0018s-1時,組織明顯細化,出現(xiàn)了少量的等軸晶粒??梢?,較低的應變速率促進了動態(tài)再結晶的發(fā)生,這同真應力-真應變曲線得到的結論一致。當應變速率進一步減小至0.0005s-1時,由于應變速率很低,高溫停留時間較長,動態(tài)再結晶進行得比較充分,形成了均勻分布的等軸晶粒,且晶粒尺寸較0.0018s-1下的明顯增大。

圖3 TC1鈦合金在不同溫度下拉伸前后的顯微組織(應變速率為0.01s-1)Fig.3 Microstructure of TC1titanium alloy before(a)and after(b-d)drawing at different temperatures with strain rate of 0.01s-1

圖4 TC1鈦合金在不同應變速率下拉伸前后的顯微組織(溫度為750℃)Fig.4 Microstructure of TC1titanium alloy before(a)and after(b-d)drawing at different strain rates with temperature of 750℃

3 材料的本構模型

3.1 模型的選擇

本構模型是利用數(shù)學方式來描述材料在變形過程中的流變應力。模型主要分成兩類,第一類模型直接描述變形條件(如溫度、應變速率等)對流變應力的影響,這類模型適用于加工硬化行為占主導因素時的情況;第二類模型則考慮了變形對材料內(nèi)在結構狀態(tài)影響的因素,變形條件主要取決于材料的結構[12]。第一類模型的系數(shù)主要包括成形條件中影響最大的加工硬化系數(shù)n、應變速率敏感系數(shù)m和溫度T等,這類模型可描述從簡單的(單調(diào)遞增)應力-應變曲線到復雜的(包括屈服、軟化等現(xiàn)象)應力-應變曲線。第二類模型描述的流變應力行為主要由材料的結構決定,包括了描述材料內(nèi)部結構變化的變量,用于描述材料在變形過程中的瞬時狀態(tài)。

為了更準確完整地描述TC1鈦合金在高溫下的流變應力,彈性階段采用修正的Hooke定律描述,塑性階段則采用Grosman方程描述:

式中:σe和σp分別為TC1鈦合金在彈性和塑性階段的應力;C為強度系數(shù);E為彈性模量;m為應變速率敏感系數(shù);n,n1為應變硬化系數(shù);ε·為應變速率。

在不同的溫度和應變速率下,E,C,n,n1,m 的值均在變化。考慮到溫度和應變速率的影響,需要對這5個系數(shù)進行修正。

3.2 E值的修正

對于圖2所示的真應力-真應變曲線,在彈性階段,均勻選取3個坐標點,采用最小二乘法進行線性擬合,得到不同溫度和應變速率下的彈性模量,如表2所示。

表2 TC1鈦合金在不同溫度和應變速率下的彈性模量Tab.2 Elasticity modulus of TC1titanium alloy at different temperatures and strain rates GPa

通過彈性模量和溫度、應變速率的曲線可以發(fā)現(xiàn),不同溫度下的彈性模量基本符合式(3)。

式中:A為應變速率對彈性模量E的影響系數(shù);B為溫度對彈性模量E的影響系數(shù)。

通過線性擬合可以得出不同溫度下的彈性模量影響系數(shù)A和B,如表3所示。

表3 不同溫度下TC1鈦合金的彈性模量影響系數(shù)A和BTab.3 Elasticity modulus′s parameters of TC1titanium alloy at different tempertures

由表3可知,650,700,750℃下的A值比較接近,它們的平均值為19.61;B值隨溫度的升高而減小,與溫度的倒數(shù)呈線性變化,通過線性擬合可得B=370710.13/T-326.29。將 A 的平均值以及擬合得到的B值帶入式(3)可得:

3.3 C,n,n1,m 值的修正

塑性階段,在材料穩(wěn)態(tài)流動范圍內(nèi),當式(2)中的應變ε為定值時,m=?lnσ/?lnε·,當ε=0.2時,各溫度下的lnσ與lnε·呈線性關系,用最小二乘法進行擬合可得到650,700,750℃下的m值分別為0.303,0.339,0.391。可見,m 值與溫度的倒數(shù)呈線性關系,從而得出m值的計算公式為:

從圖2的曲線可以看出,峰值應力出現(xiàn)的位置都在比較靠前的位置,在計算n值時會導致峰值應力前的均勻變形區(qū)段非常小。如果采用傳統(tǒng)的n值計算方法,即在曲線的均勻變形區(qū)段內(nèi)取5個點進行計算,則會產(chǎn)生非常大的誤差。為此,作者采用了如下計算n值的算法,即:對式(2)進行化簡可得n=?lnσ/?lnε,作出對數(shù)坐標下的真應力 -真應變曲線,如圖5所示,取均勻塑性變形區(qū)段上的點做線性回歸計算,斜率即為n值,如圖6所示。

圖5 TC1鈦合金在750℃、0.0018s-1應變速率下的lnσ-lnε關系曲線Fig.5 lnσ-lnεcurve of TC1titanium alloy at 750℃and strain rate of 0.0018s-1

圖6 TC1鈦合金在750℃、0.0018s-1應變速率下lnσ-lnε曲線上均勻塑性變形區(qū)段的線性回歸曲線(ε為0.04~0.09)Fig.6 Linear regression curve of uniform plastic deformation zone in lnσ-lnεcurve of TC1titanium alloy at 750℃and strain rate of 0.0018s-1

由圖7可以看出,在不同溫度下,n值與應變速率的對數(shù)呈線性關系。為了研究溫度和應變速率對n值的影響,將n的表達式寫成式(6)的形式。

圖7 不同溫度下n與應變速率對數(shù)ln的關系Fig.7 Relation between nand lnat different temperatures

式中:A1為應變速率對n值的影響系數(shù);B1為溫度對n值的影響系數(shù)。

通過線性擬合可得出不同溫度下的參數(shù)A1和B1,結果如表4所示。

由表4可知,不同溫度下的A1和B1都比較接近,取它們的算術平均值,并帶入式(5)可得n=0.0223lnε·+0.28。

表4 不同溫度下TC1鈦合金的加工硬化參數(shù)A1和B1Tab.4 Work hardening parameter A1and B1of TC1titanium alloy at different temperatures

采用同樣的方法可得到不同溫度下的n1和C,見式(7)和式(8)。

圖8 不同溫度和應變速率下采用本構方程和試驗得到的TC1鈦合金的真應力-真應變曲線Fig.8 True stress-true strain curves of TC1titanium alloy obtained by constitute equations and experiment at different temperatures and strain rates

把得到的E,C,n,n1,m 值表達式代入式(1)~(2)就可以得到TC1鈦合金在變形溫度為650~750℃、應變速率為0.0005~0.01s-1時的本構方程,即:

3.4 真應力-真應變曲線的比較

由圖8可以看出,在峰值應力之前的均勻變形階段,采用修正的本構方程計算得到的真應力-真應變曲線與試驗得到的都比較接近。這是因為在修正n值時沒有采用直接在真應力-真應變曲線均勻塑性變形區(qū)域取5點進行線性回歸的方法,而是在計算出對數(shù)真應力-真應變曲線后再取點進行線性回歸修正,這樣減小了直接取點時由于均勻塑性變形范圍小而造成的誤差。從試驗曲線和計算曲線來看,該修正的本構方程能夠較好地反映TC1鈦合金在高溫下的應力-應變關系。

4 結 論

(1)變形溫度與應變速率對TC1合金流變應力的影響很大;在恒定的變形溫度下,流變應力隨應變速率的升高而增大;在恒定的應變速率下,流變應力隨變形溫度升高先快速降低,溫度達到700℃后下降變緩。

(2)在700℃時,當應變速率低于0.0018s-1時,TC1鈦合金在高溫拉伸變形過程中開始有明顯的動態(tài)再結晶現(xiàn)象;隨應變速率從0.01s-1減小到0.0005s-1,晶粒的變化過程是由被拉長到細化,最后呈等軸狀。

(3)利用修正的第一類流變應力本構方程對高溫拉伸流變應力進行預測,預測值與試驗值較吻合,該本構方程可以很好地為研究TC1鈦合金在高溫下的流變行為提供依據(jù)。

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