王成武

（天津特鋼精鍛有限公司，天津300300）

0 引言

大型無(wú)縫筒節(jié)是交通、石化、核電、航工航天等工業(yè)領(lǐng)域中的關(guān)鍵設(shè)備部件[1]。特別是薄壁高筒節(jié)產(chǎn)品，利用傳統(tǒng)方式生產(chǎn)過(guò)程中面臨材料利用率低、內(nèi)部產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，特別是對(duì)于有色金屬產(chǎn)品，由于其材料塑性屬性方面的限制，使其在成型方面上更加困難[2]。

工業(yè)純鈦（TA1）屬于難加工金屬材料，在鍛造過(guò)程中，由于其鍛造溫度范圍窄等方面的限制，使得薄壁高筒節(jié)的TA1產(chǎn)品在生產(chǎn)可行性方面難度極大，在用鍛造方式進(jìn)行生產(chǎn)還存在一個(gè)特別問(wèn)題，就是為了保證產(chǎn)品的尺寸，只能通過(guò)進(jìn)行增加材料來(lái)解決，即在鍛造后通過(guò)機(jī)加工的方式滿(mǎn)足尺寸。采用這種工藝來(lái)生產(chǎn)TA1產(chǎn)品就帶來(lái)了材料浪費(fèi)的問(wèn)題，以及經(jīng)過(guò)充分變形后性能優(yōu)越的部分被加工掉的弊端[3]。本文通過(guò)熱壓縮試驗(yàn)，得到TA1在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)及其對(duì)應(yīng)的組織，依據(jù)環(huán)件軋制的工作原理，研究薄壁筒節(jié)應(yīng)變和組織的變化規(guī)律，為后續(xù)生產(chǎn)提供參考和理論依據(jù)。

1 熱壓縮實(shí)驗(yàn)

在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上，將變形溫度區(qū)間控制為620～780 °C，每20℃為一組實(shí)驗(yàn)，試樣的變形量為60%，應(yīng)變速率為采用0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1和10 s-1，共計(jì)32種不同熱變形條件，在這樣的條件下對(duì)TA1進(jìn)行應(yīng)變壓縮實(shí)驗(yàn)。試樣尺寸為φ10 mm×15 mm的標(biāo)準(zhǔn)熱壓縮試樣。試樣兩端貼鉭片，涂抹石墨，降低實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于摩擦力帶來(lái)的影響；在Gleeble-3500熱模擬機(jī)上，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程由控溫系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，精度范圍±1℃；模擬機(jī)配備的計(jì)算機(jī)控制記錄得到真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)數(shù)據(jù)；變形結(jié)束后將試樣快速水冷，以保留高溫變形時(shí)的組織，通過(guò)后續(xù)對(duì)保留高溫變形的組織進(jìn)行詳細(xì)的理化分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)分析，確定產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)及技術(shù)路線(xiàn)。

2 熱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 TA1熱壓縮實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

TA1試樣在經(jīng)過(guò)壓縮試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到了該材質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，總共分為9種不同的變形條件，圖1為對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)溫度為620～780℃（每20℃為一組實(shí)驗(yàn)）的TA1熱壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

2.2 TA1熱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 TA1熱壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，圖(a)～(i)對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)溫度為620～780℃

由TA1熱壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中可以明顯看出：

（1）當(dāng)溫度為恒定數(shù)值時(shí)，流變應(yīng)力與應(yīng)變速率的變化趨勢(shì)相同。分析其原因主要是，TA1試樣在熱壓縮變形過(guò)程中，變形速率的快慢會(huì)直接影響到材料本體的位錯(cuò)密度的大小[4]，當(dāng)位錯(cuò)密度變大時(shí)，很明顯就會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)本身的長(zhǎng)大，進(jìn)而熱壓縮過(guò)程變形抗力也會(huì)隨之長(zhǎng)大。

（2）把溫度值設(shè)定在620℃，同時(shí)應(yīng)變速率的變化范圍設(shè)定在0.01～10 s-1時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)流變應(yīng)力的數(shù)值變大100 Mpa；把溫度數(shù)值設(shè)定在780℃，同時(shí)應(yīng)變速率的變化范圍設(shè)定在相同的范圍即0.01～10 s-1時(shí)，發(fā)現(xiàn)流變應(yīng)力的數(shù)值變大70 Mpa。這種現(xiàn)象說(shuō)明了溫度對(duì)TA1材質(zhì)的流變應(yīng)力屬性的影響逐漸減小，也就是說(shuō)隨著溫度的升高，在高的變形速率條件下，變形抗力的增加不在那么顯著。

（3）由整體來(lái)看，TA1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的變化與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的現(xiàn)象相一致，當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，加工硬化的現(xiàn)象比較明顯，導(dǎo)致變形抗力變大，但當(dāng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與回復(fù)的現(xiàn)象增強(qiáng)后，就會(huì)產(chǎn)生一種對(duì)材質(zhì)軟化的效果，變形抗力的增加速度逐漸變小，直至達(dá)到最高的變形抗力，隨后當(dāng)屬塑性變形階段。

（4）塑性變形時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)峰值以及斜率都隨著應(yīng)變速率增大而增大，且當(dāng)應(yīng)變速率為10 s-1時(shí)，各溫度下塑性段應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)斜率隨前期相較于后期較為陡峭，而其它應(yīng)變速率下斜率變化較為平緩，這是由于加工硬化以及熱軟化共同作用的結(jié)果。各應(yīng)變速率下應(yīng)變曲線(xiàn)均呈現(xiàn)出應(yīng)力隨應(yīng)變上升的趨勢(shì)，說(shuō)明在32種熱變形條件中，加工硬化效應(yīng)均大于熱軟化的效應(yīng)。

（5）在圖1中，通過(guò)曲線(xiàn)的變化，可以看出動(dòng)態(tài)回復(fù)在熱壓縮變形過(guò)程中的變化程度，以及對(duì)應(yīng)力數(shù)值的影響效果。即當(dāng)位錯(cuò)密度這個(gè)數(shù)值增加后，材料的變形抗力、變形量也會(huì)跟著長(zhǎng)大，這時(shí)動(dòng)態(tài)回復(fù)的現(xiàn)象逐漸加強(qiáng)，當(dāng)回復(fù)的作用效果大于加工硬化產(chǎn)生的效果后，曲線(xiàn)的變化就會(huì)由高點(diǎn)逐漸下降，最后達(dá)到一種平衡態(tài)。

另一種情況，即固定應(yīng)變速率這個(gè)數(shù)值，將溫度作為變量，研究溫度的影響效果。可以看出當(dāng)溫度數(shù)值變高時(shí)，TA1試樣的內(nèi)部的能量條件就會(huì)較好，促使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)就變得劇烈，同時(shí)溫度的增加帶來(lái)另一種現(xiàn)象即軟化材質(zhì)，使得變形抗力降低，這就是溫度、應(yīng)變速率與加工硬化、軟化現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)原理規(guī)律。

2.3 TA1材料熱加工參數(shù)的選擇

按照熱壓縮試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果以及規(guī)律性的研究發(fā)現(xiàn)，TA1材質(zhì)的加熱變形溫度以及在變形過(guò)程中的速率對(duì)所反映的變形抗力的數(shù)值影響很大，稍微的變化就會(huì)使得在軋制過(guò)程中，特別是芯軸施加的軋制力變化很大，徑向變形也會(huì)變得不均勻，最終就會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的尺寸精度以及徑向范圍內(nèi)的晶粒組織等。

2.3.1 TA1材料熱加工圖

根據(jù)熱加工圖在動(dòng)態(tài)材料模型中所發(fā)揮的作用，其能夠較為準(zhǔn)確的表現(xiàn)出變形溫度、變形程度和變形速率這三個(gè)因素在熱加工過(guò)程中的影響程度。在熱加工過(guò)程中，這三個(gè)主要因素至關(guān)重要，特別是在解決質(zhì)量以及性能不滿(mǎn)足等方面的問(wèn)題時(shí)都能發(fā)揮重要的作用。熱加工圖是功率耗散率和失穩(wěn)圖疊加而成的。

而功率耗散率是功率耗散因子(η)隨變形溫度和應(yīng)變速率變化的結(jié)果。η表達(dá)式為：

式中，J為微觀結(jié)構(gòu)演變耗散能量，Jmax為線(xiàn)性耗散能量，m為應(yīng)變速率敏感指數(shù)。m表達(dá)式為：

材料塑性變形失穩(wěn)采用Prasad失穩(wěn)準(zhǔn)則，其失穩(wěn)判斷依據(jù)公式為：

通過(guò)等式（1）到（3）可得到TA1的熱加工圖。圖2為應(yīng)變量為60%時(shí)的TA1材料熱加工圖。

圖2 TA1熱加工圖（應(yīng)變量為60%）

2.3.2 TA1材料熱加工參數(shù)的分析及選擇

由圖2分析可知，當(dāng)變形程度達(dá)到60%左右的情況下，失穩(wěn)區(qū)就逐漸顯現(xiàn)增加。結(jié)合等式（1）中的能耗因數(shù)進(jìn)行分析，因數(shù)η的變化與溫度變化趨勢(shì)相同，與變形速率相反，其變化范圍為0.064～0.2。由此可見(jiàn)TA1的加工性能隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而變得更好。

從TA1材料熱加工圖中可以看出，能耗因數(shù)最大值為0.2，在溫度大于720℃、應(yīng)變速率小于1 s-1的區(qū)域出現(xiàn)，該區(qū)域是屬于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)域。而能耗因數(shù)最小值為0.064，在高應(yīng)變速率區(qū)出現(xiàn)，說(shuō)明TA1材料在該區(qū)域的可加工性較差、加工硬化現(xiàn)象明顯。

2.3.3 TA1試樣光學(xué)顯微鏡觀測(cè)結(jié)果分析

圖3為應(yīng)變速率0.1 s-1時(shí)，對(duì)應(yīng)不同溫度（620～780℃）的TA1熱壓縮試樣光學(xué)顯微照片。通過(guò)能耗因數(shù)的確定，以及不同變形條件下的TA1光學(xué)顯微鏡觀測(cè)結(jié)果比較可知，當(dāng)應(yīng)變速率在0.1～1 s-1之間，溫度在720～780℃之間時(shí)，TA1材料的組織更均勻。說(shuō)明通過(guò)將應(yīng)變速率和熱加工溫度控制在特定范圍內(nèi)，能夠減少TA1組織中粗大晶粒的數(shù)量，使得微觀晶粒組織更加均勻，進(jìn)而提高材料的力學(xué)性能。圖4為RAW1000環(huán)軋機(jī)上產(chǎn)品軋制情況。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)TA1材料熱模擬分組實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)、TA1材質(zhì)熱加工圖和試樣光學(xué)顯微鏡觀測(cè)結(jié)果的分析，得到如下研究結(jié)果：

（1）TA1的加工性能隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而提高，純鈦金屬的流變應(yīng)力對(duì)變形溫度和應(yīng)變速率非常敏感，而變形溫度范圍的選擇及其確定對(duì)最終產(chǎn)品的性能的影響非常重要。

（2）在軋制過(guò)程中，將芯軸進(jìn)給速率控制在0.1～1s-1，軋制溫度范圍控制在720～780℃時(shí)，能夠減少純鈦金屬組織中的粗大晶粒，獲得相對(duì)較為均勻的組織，效果非常顯著，同時(shí)在質(zhì)量保證方面更加有針對(duì)性。

（3）根據(jù)熱模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)數(shù)值，綜合確定在RAW1000環(huán)軋機(jī)上，軋制力方面能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品的需要。同時(shí)根據(jù)軋制力的計(jì)算以及實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證得出了不同壁厚、不同高度產(chǎn)品的軋制參數(shù)，為后續(xù)更高級(jí)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

圖3 應(yīng)變速率0.1 s-1時(shí)對(duì)應(yīng)不同溫度（620～780℃）的光學(xué)顯微鏡照片

圖4 RAW1000環(huán)軋機(jī)上產(chǎn)品軋制情況