崔明亮 劉 娟 高 蕾 楊 希 張 鵬 李宏偉 趙 翔
(1.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司,四川618000;2.哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,黑龍江150000)
鈦合金作為一種具有高比強度,優(yōu)良的耐蝕性和較好的綜合力學(xué)性能的材料,廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造等產(chǎn)業(yè)[1-2]。Ti-55531合金作為一種新型近β鈦合金,相比于其他鈦合金,該合金具有更好的淬透性和更優(yōu)的斷裂韌性[3]。目前,針對Ti-55531合金的研究相對較少,到目前為止,國內(nèi)學(xué)者甘守武等[4]建立了Ti-55531合金的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流變應(yīng)力模型,該模型雖然預(yù)測精度較高,但由于不是一個具體的現(xiàn)象學(xué)模型,不能應(yīng)用于有限元軟件中。Johnson-Cook模型作為一種現(xiàn)象學(xué)模型,在1983年被Johnson G R 和Cook W H 首次提出[5],并在2010年被Lin等[6]學(xué)者進(jìn)行修正改進(jìn),使其更適用于描述合金的熱變形行為。本文基于熱壓縮試驗得到的Ti-55531合金的流變曲線,對該合金的流變行為進(jìn)行了分析,建立了該合金修正的Johnson-Cook本構(gòu)模型,并用該模型對該合金的流變應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測。
實驗用Ti-55531合金為直徑360 mm的鍛態(tài)棒料,其化學(xué)成分如表1所示。從原材料上取出直徑為8 mm,高度為12 mm的試樣,在Gleeble-3500熱模擬試驗機(jī)上進(jìn)行熱壓縮試驗,在730~880℃范圍內(nèi)六個均分溫度條件下和0.001~1 s-1應(yīng)變速率條件下進(jìn)行總計24組試驗。在進(jìn)行熱壓縮前,每個試樣均被以10℃s的速度加熱至試驗溫度并保溫180 s,試樣與砧板接觸的端面加上石墨片以減小摩擦對試驗結(jié)果的影響。試驗機(jī)配備的系統(tǒng)自動獲取熱壓縮過程的名義應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為真實應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),如圖1所示。
表1 Ti-55531合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of Ti-55531 alloy(mass fraction, %)
從圖1中可以看出,在變形初期,應(yīng)力急劇上升,這是由于位錯的劇烈增殖導(dǎo)致的加工硬化,隨著應(yīng)變的增加,應(yīng)力達(dá)到峰值之后開始下降,此時加工硬化已經(jīng)不再占主導(dǎo),取而代之的是動態(tài)軟化,該軟化行為對應(yīng)的微觀演化機(jī)制主要是動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶以及鈦合金特有的動態(tài)球化。由于該合金的相變點為820℃左右[7],在相變點溫度以下為α+β相,軟化效果較強,主要受動態(tài)球化的影響,在相變點溫度以上為β相,軟化效果較弱,主要受動態(tài)回復(fù)和β相的動態(tài)再結(jié)晶的影響[8-9]。此外,從圖中還可以看到,流變應(yīng)力隨著溫度的降低而升高,這是由于在低溫下位錯激增更難以被消耗,同時,在α+β相區(qū),由于α相的密排六方結(jié)構(gòu),與在β相區(qū)的體心立方結(jié)構(gòu)相比,具有相對較少的滑移系,更容易導(dǎo)致位錯的纏結(jié)和塞積。
圖1 Ti-55531在不同變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 1 Ti-55531 stress-strain curves under different deformation conditions
圖2 修正的Johnson-Cook模型Figure 2 Modified Johnson-Cook constitutive model
Johnson-Cook模型是Johnson G R和Cook W H 在1983年針對金屬材料的大塑性變形而提出的一種本構(gòu)模型[6]。早期,該模型只考慮了溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變對流動應(yīng)力的單獨影響,精度較低,為考慮變形參數(shù)的交互影響并改進(jìn)該模型,Lin等[4]在2010年提出了修正的JC模型,如公式1所示。
(1)
(a)(b)(c)(d)
表2 Ti-55531合金的JC模型參數(shù)Table 2 JC model parameters of Ti-55531 alloy
利用建立的Johnson-Cook模型對Ti-55531的應(yīng)力值進(jìn)行預(yù)測,如圖3所示,圖中空心圓點為該模型的預(yù)測值。從圖3可以看出,該模型的預(yù)測精度較高,可以很好的描述Ti-55531合金在熱變形過程中的流變行為。
基于Ti-55531合金熱壓縮試驗得到的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),對該合金的流變行為進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)流變應(yīng)力隨變形溫度的降低和應(yīng)變速率的增加而升高。此外,由于α相和β相晶體結(jié)構(gòu)和熱變形過程中微觀演化機(jī)制的不同,流變曲線表現(xiàn)出不同的軟化行為。同時,本文建立了該合金修正的Johnson-Cook本構(gòu)模型,并利用該模型對該合金的流變應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型具有較高的預(yù)測精度。