孫花梅,戚運(yùn)蓮，劉　偉,張思遠(yuǎn)，2,毛小南

(1.西北有色金屬研究院，陜西　西安　710016)(2.西安建筑科技大學(xué)，陜西　西安　710055)

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應(yīng)變對(duì)β-CEZ鈦合金熱加工圖的影響研究

孫花梅1,戚運(yùn)蓮1，劉偉1,張思遠(yuǎn)1，2,毛小南1

(1.西北有色金屬研究院，陜西西安710016)(2.西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055)

基于β-CEZ鈦合金的熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)，以動(dòng)態(tài)材料模型為基礎(chǔ)，建立了不同應(yīng)變下的β-CEZ鈦合金熱加工圖。從能量耗散率、非穩(wěn)定參數(shù)和非穩(wěn)定變形區(qū)三個(gè)方面分析了應(yīng)變對(duì)β-CEZ鈦合金熱加工圖的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明：隨著應(yīng)變的增大，β-CEZ鈦合金能量耗散率對(duì)應(yīng)的等值線越來(lái)越密集，高能量耗散率對(duì)應(yīng)的區(qū)域逐漸減小，而非穩(wěn)定變形區(qū)越來(lái)越大，由小應(yīng)變時(shí)的兩個(gè)非穩(wěn)定變形區(qū)變?yōu)榇髴?yīng)變時(shí)貫穿整個(gè)溫度范圍的一個(gè)大非穩(wěn)定變形區(qū)；不同應(yīng)變下，應(yīng)變速率為0.01～0.018 s-1、變形溫度為820～920 ℃時(shí)，能量耗散率都大于0.45且沒(méi)有發(fā)生塑性失穩(wěn)，該范圍內(nèi)的工藝參數(shù)最適合β-CEZ鈦合金的鍛造。

β-CEZ鈦合金；應(yīng)變；熱加工圖

0　引　言

β-CEZ鈦合金是以Ti-662-Zr合金成分為基礎(chǔ)，用Mo取代V，并添加Cr和Fe設(shè)計(jì)而成的一種高強(qiáng)、高韌的亞穩(wěn)定β型鈦合金，主要作為結(jié)構(gòu)件材料用于航空航天領(lǐng)域[1]。Peters等[2]研究了加工方式對(duì)β-CEZ鈦合金組織以及斷裂韌性的影響。Sukumar等[3]研究了7.62 mm盔甲穿孔彈對(duì)不同組織的β-CEZ鈦合金彈道沖擊行為的影響。Ponsonnet等[4]研究了400～470 ℃溫度范圍內(nèi)β-CEZ鈦合金的中溫蠕變行為。Grosdidier等[5]研究了β-CEZ鈦合金室溫下的變形機(jī)制。這些已有的公開(kāi)文獻(xiàn)都主要集中于對(duì)β-CEZ鈦合金組織、機(jī)械性能和變形機(jī)制的研究，卻很少涉及β-CEZ鈦合金加工性的研究。

表征金屬塑性成形能力的一個(gè)重要指標(biāo)是材料的“加工性”。所謂“加工性”是指材料在塑性變形過(guò)程中不發(fā)生破壞所能達(dá)到的變形能力。熱加工圖是評(píng)價(jià)材料加工性優(yōu)劣的圖形?；趧?dòng)態(tài)材料模型的熱加工圖，能夠揭示塑性變形機(jī)理，預(yù)測(cè)塑性變形過(guò)程中各類缺陷的產(chǎn)生，優(yōu)化加工工藝參數(shù)。應(yīng)變是影響合金塑性變形行為的重要參數(shù)之一，然而該模型的熱加工圖并沒(méi)有耦合應(yīng)變的影響。本研究基于熱模擬壓縮數(shù)據(jù)和Prasad理論建立了不同應(yīng)變的β-CEZ鈦合金熱加工圖，分析應(yīng)變對(duì)β-CEZ鈦合金熱加工圖的影響規(guī)律，為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)該合金塑性變形過(guò)程的最優(yōu)設(shè)計(jì)與控制提供理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)方法及計(jì)算依據(jù)

1.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為鍛態(tài)的β-CEZ鈦合金，相變點(diǎn)為890 ℃，其化學(xué)成分如表1所示。β-CEZ鈦合金的熱模擬壓縮試樣為φ10 mm×15 mm的圓柱體。熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)在Gleeble-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，壓縮前抽真空。試樣上下兩端面附加鉭片，以便盡可能減小摩擦。試樣采用真空感應(yīng)加熱，升溫速率為10 ℃/s。實(shí)驗(yàn)溫度分別為800、850、900、95、1 000 ℃，應(yīng)變速率分別為0.01、0.1、1.0、10.0 s-1，變形程度為70%。試樣加熱至變形溫度后保溫3 min，然后以恒定應(yīng)變速率壓縮，壓縮完成后淬水冷卻至室溫。壓縮過(guò)程中由焊接在試樣側(cè)面中部的熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)溫。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，配有微機(jī)處理系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行修正和計(jì)算，最后以表格形式輸出載荷-行程和流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

表1實(shí)驗(yàn)用β-CEZ鈦合金的化學(xué)成分(w/%)

Table 1　Chemical composition of the as-received β-CEZ titanium alloy

基于實(shí)驗(yàn)所得到的流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，選擇應(yīng)變?cè)?～0.7之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到β-CEZ鈦合金在不同變形溫度和應(yīng)變速率下變形時(shí)的流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。從圖中可以看出：變形開(kāi)始階段，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速增加，幾乎成直線上升；隨著應(yīng)變的增大，流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)下降；當(dāng)應(yīng)變?cè)黾拥揭欢ǔ潭葧r(shí)，流動(dòng)應(yīng)力不再發(fā)生明顯變化。

圖1　β-CEZ鈦合金熱模擬壓縮變形過(guò)程中的流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1　The selected flow stress-strain curves in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy

1.2計(jì)算依據(jù)

Prasad和Gegel等人[6]建立了動(dòng)態(tài)材料模型(DMM)。在動(dòng)態(tài)材料模型中，能量耗散率η能夠反映出不同工藝參數(shù)條件下的熱變形機(jī)制。安全的熱變形機(jī)制有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、動(dòng)態(tài)回復(fù)和超塑性等。所以在熱加工過(guò)程中，能量耗散率η對(duì)于選擇最佳的工藝參數(shù)具有重要作用。其表達(dá)式如下：

(1)

式中，m為應(yīng)變速率敏感性指數(shù)。

Prasad等根據(jù)Ziegler[7]提出的最大熵產(chǎn)生率原理，得到流動(dòng)不穩(wěn)定性判據(jù)為：

(2)

(3)

則應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m可表示為：

(4)

圖2　β-CEZ鈦合金熱模擬壓縮時(shí)的曲線圖(ε=0.1)Fig.2　Plots of lg σ vs. lg in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy at a strain of 0.1

將式(4)代入式(2)經(jīng)變形整理可得：

(5)

2　結(jié)果與討論

2.1應(yīng)變對(duì)能量耗散率的影響

將計(jì)算得到的不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下的能量耗散率按照應(yīng)變0.2、0.3、0.4、0.5和0.6分別進(jìn)行整理作圖，則應(yīng)變對(duì)β-CEZ鈦合金等溫壓縮變形時(shí)能量耗散率的影響如圖3所示。由圖3a、3c、3d、3e可以看出，低應(yīng)變速率下，即應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，能量耗散率隨著應(yīng)變的增大呈下降趨勢(shì)。而高應(yīng)變速率0.1 s-1和1.0 s-1時(shí)，其對(duì)應(yīng)的能量耗散率卻呈略微上升趨勢(shì)。由圖3a、3b、3c、3e可以看出，不同應(yīng)變下，較低應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)的能量耗散率基本上都高于較高應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)的能量耗散率。即應(yīng)變一定時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增大能量耗散率反而減小。此外，不同溫度條件下，應(yīng)變對(duì)低應(yīng)變速率0.01s-1時(shí)的能量耗散率影響顯著，從圖中可以看到曲線有明顯的變化，而對(duì)高應(yīng)變速率0.1 s-1

圖3　β-CEZ鈦合金熱模擬壓縮變形時(shí)應(yīng)變對(duì)能量耗散率的影響Fig.3　The effect of strain on the efficiency of power dissipation in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy

和1.0 s-1的能量耗散率影響較小，曲線變化不明顯。能量耗散率峰值對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)是實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)β-CEZ鈦合金等溫壓縮變形的最佳工藝參數(shù)。變形溫度為850、900和1 000 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，能量耗散率的峰值均大于0.45。Prasad和Sasidhara[8]指出，能量耗散率大于0.45的區(qū)域一般會(huì)出現(xiàn)超塑性。因此，β-CEZ鈦合金在該工藝參數(shù)下鍛造時(shí)，鍛造性能會(huì)最好。

2.2應(yīng)變對(duì)非穩(wěn)定參數(shù)的影響

將計(jì)算得到的β-CEZ鈦合金在不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下的非穩(wěn)定參數(shù),按照應(yīng)變0.2、0.3、0.4、0.5和0.6分別進(jìn)行整理作圖，則應(yīng)變對(duì)β-CEZ鈦合金等溫壓縮變形時(shí)非穩(wěn)定參數(shù)的影響如圖4所示。

圖4　β-CEZ鈦合金熱模擬壓縮變形時(shí)應(yīng)變對(duì)非穩(wěn)定參數(shù)的影響Fig.4　The effect of strain on the instability parameter in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy

從圖4中可以看出：應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，在整個(gè)變形溫度范圍內(nèi)非穩(wěn)定參數(shù)都隨著應(yīng)變的增大而增大，而且變化比較明顯；應(yīng)變速率為0.1 s-1時(shí)，不同變形溫度下，非穩(wěn)定參數(shù)隨著應(yīng)變的增大變化趨勢(shì)不完全相同。只有溫度為800、900和1 000 ℃時(shí)，非穩(wěn)定參數(shù)隨著應(yīng)變的增大而增大；應(yīng)變速率為1.0 s-1時(shí)，在整個(gè)變形溫度范圍內(nèi)非穩(wěn)定參數(shù)都隨著應(yīng)變的增大而減小，而且變化明顯?？傊瑧?yīng)變對(duì)各應(yīng)變速率下的非穩(wěn)定參數(shù)影響顯著。由圖4a、4d、4e還可以看出，低應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)的非穩(wěn)定參數(shù)大于高應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)的非穩(wěn)定參數(shù)，即應(yīng)變一定時(shí)，非穩(wěn)定參數(shù)隨著應(yīng)變速率的增大而減小。此外，應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，對(duì)應(yīng)的非穩(wěn)定參數(shù)在不同變形溫度和應(yīng)變下都是正值，這意味著在0.01 s-1應(yīng)變速率下進(jìn)行塑性變形都是安全的。所以，鍛造β-CEZ鈦合金時(shí)，應(yīng)盡量選擇在0.01 s-1的應(yīng)變速率下進(jìn)行，從而保證鍛件組織均勻、性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)塑性變形的最優(yōu)控制。

2.3應(yīng)變對(duì)熱加工圖的影響

不同應(yīng)變下，β-CEZ鈦合金熱加工圖的變化如圖5所示。由圖5可以看出：隨著應(yīng)變的增大，β-CEZ鈦合金能量耗散率對(duì)應(yīng)的等值線越來(lái)越密集，高能量耗散率對(duì)應(yīng)的區(qū)域逐漸減小，而非穩(wěn)定變形區(qū)越來(lái)越大，由小應(yīng)變時(shí)的兩個(gè)非穩(wěn)定變形區(qū)變?yōu)樨灤┱麄€(gè)溫度范圍的一個(gè)大非穩(wěn)定變形區(qū)。鍛造時(shí)，應(yīng)避開(kāi)非穩(wěn)定變形區(qū)。如果在非穩(wěn)定變形區(qū)內(nèi)進(jìn)行鍛造，微觀組織可能會(huì)出現(xiàn)各種不利的缺陷，如空洞、楔形裂紋、絕熱剪切帶等。

此外，通過(guò)圖5還發(fā)現(xiàn),在不同應(yīng)變下，當(dāng)應(yīng)變速率為0.01～0.018 s-1，變形溫度為820～920 ℃時(shí)，能量耗散率峰值都大于0.45，并且沒(méi)有發(fā)生塑性失穩(wěn)。這與之前對(duì)能量耗散率和非穩(wěn)定參數(shù)的分析是對(duì)應(yīng)的。由前文分析可知：當(dāng)應(yīng)變速率為0.01 s-1，變形溫度為850、900 ℃時(shí)，不同應(yīng)變下能量耗散率的峰值都大于0.45；而且應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，在整個(gè)變形溫度和應(yīng)變范圍內(nèi)，非穩(wěn)定參數(shù)都大于0。在該范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造，β-CEZ鈦合金可能會(huì)出現(xiàn)超塑性。

圖5　應(yīng)變對(duì)β-CEZ鈦合金熱加工圖的影響Fig.5　The effect of strain on the processing map in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy at different strains

圖6為β-CEZ鈦合金在溫度850 ℃、應(yīng)變速率0.01 s-1條件下鍛造后的顯微組織及原始組織[9]。對(duì)比圖6a和6b可以看出，鍛造后原始α相發(fā)生了部分球化。進(jìn)一步說(shuō)明應(yīng)變速率為0.01～0.018 s-1、變形溫度為820～920 ℃的參數(shù)范圍比較適合β-CEZ鈦合金的鍛造。

圖6　β-CEZ鈦合金的原始組織及鍛態(tài)組織(T=850 ℃,Fig.6　Original micrstructure and deformed microstructure of β-CEZ titanium alloy at T=850 ℃,=0.01 s-1

3　結(jié)　論

(1)β-CEZ 鈦合金熱壓縮變形時(shí)，應(yīng)變對(duì)低應(yīng)變速率下的能量耗散率影響顯著，而對(duì)高應(yīng)變速率下的能量耗散率影響較小。應(yīng)變一定時(shí)，低應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)的能量耗散率大于高應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)的能量耗散率。當(dāng)變形溫度為850、900和1 000 ℃，應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，不同應(yīng)變下能量耗散率的峰值均大于0.45。

(2)應(yīng)變對(duì)各應(yīng)變速率下的非穩(wěn)定參數(shù)影響顯著。應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，在整個(gè)變形溫度范圍內(nèi)非穩(wěn)定參數(shù)都隨著應(yīng)變的增大而增大；應(yīng)變速率為1.0 s-1時(shí)，在整個(gè)變形溫度范圍內(nèi)非穩(wěn)定參數(shù)都隨著應(yīng)變的增大而減小。并且，應(yīng)變速率為0.01 s-1時(shí)，對(duì)應(yīng)的非穩(wěn)定參數(shù)在不同變形溫度和應(yīng)變下都是正值，這意味著在0.01 s-1應(yīng)變速率下進(jìn)行塑性變形都是安全的。

(3)隨著應(yīng)變的增大，能量耗散率對(duì)應(yīng)的等值線越來(lái)越密集，高能量耗散率對(duì)應(yīng)的區(qū)域逐漸減小，而非穩(wěn)定變形區(qū)越來(lái)越大。并且，不同應(yīng)變下，應(yīng)變速率為0.01～0.018 s-1，變形溫度為820～920 ℃時(shí)，能量耗散率都大于0.45且沒(méi)有發(fā)生塑性失穩(wěn)。

[1]黃金昌.β-CEZ鈦合金的加工性能和應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，1996(5)：34-36.

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[3]Sukumar G，Bhav Singh B，Bhattacharjee Amit，et al.Ballistic impact behaviour ofβ-CEZ Ti alloy against 7.62 mm armour piercing projectiles[J].International Journal of Impact Engineering，2013，54：149-160.

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Study of Effect of Strain on the Processing Map of β-CEZ Titanium Alloy

Sun Huamei1, Qi Yunlian1, Liu Wei1, Zhang Siyuan1, 2, Mao Xiaonan1

(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)(2.Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

The processing maps ofβ-CEZ titanium alloy have been established based on the Dynamic Materials Model (DMM) and isothermal compression experiment.In this paper, the effect of strain on the processing map is investigated from the aspects of power dissipation efficiency, unstable parameter and unstable deformation region.The results show that the contour of efficiency of power dissipation becomes more and more intensive, and the region responding to the high value of efficiency of power dissipation decreases with the increasing of strain.Meanwhile, the unstable region increases and becomes to a large region throughout the whole deformation temperature range at the higher strain.Under different strains, the values of efficiency of power dissipation are greater than 0.45 without unstable flow at the strain rates of 0.01～0.018 s-1,and the deformation temperatures of 820～920 ℃.They are the most suitable processing parameters forβ-CEZ titanium alloy forging.

β-CEZ titanium alloy; strain; processing map

2015-12-21

孫花梅(1988—)，女，助理工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)03-0024-06