稀有金属 2015,39(03),207-213 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.03.003
V-5Cr-5Ti合金的热变形行为及加工图
李增德 林晨光 崔舜
北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所
摘 要：
采用Gleeble-1500热模拟试验机对V-5Cr-5Ti合金进行了热模拟压缩试验。研究了V-5Cr-5Ti合金在变形温度为1373~1493 K、应变速率为0.1~30.0 s-1工艺条件下的流变行为,建立了合金高温变形的流变应力模型和加工图,并观察了合金变形后的金相组织。研究结果表明:流变应力和峰值应变随变形温度的降低和应变速率的提高而增大。以热模拟压缩试验为基础,通过对真应力-应变曲线的分析与计算得到了V-5Cr-5Ti合金的热变形激活能Q值为468.25 k J·mol-1,建立了V-5Cr-5Ti合金高温变形的流变应力模型。同时,建立了描述V-5Cr-5Ti合金热加工性能的热加工图,其由3部分组成,即Ⅰ变形安全区,Ⅱ变形安全区以及流变失稳区,其中流变失稳区呈对角线连续分布。在绘制、分析V-5Cr-5Ti合金的热加工图的基础上,结合组织分析得出,V-5Cr-5Ti合金最适合在Ⅱ变形安全区内采用液压机进行变形加工。
关键词：
V-5Cr-5Ti合金;热模拟试验;流动应力模型;热加工图;
中图分类号： TG146.413
作者简介：李增德(1982-),男,江西贵溪人,博士研究生,研究方向:核材料和电真空材料;E-mail:cuis@grinm.com;;林晨光,教授;电话:010-82241201;E-mail:pm@grinm.com;
收稿日期：2013-10-14
基金：国家自然科学基金项目(51101021)资助;
Hot Deformation Behavior and Processing Map of V-5Cr-5Ti Alloy
Li Zengde Lin Chenguang Cui Shun
Powder Metallurgy and Special Materials Research Department,General Research Institute for Nonferrous Metals
Abstract：
The flow stress features of V-5Cr-5Ti alloy were studied by isothermal compression of cylindrical specimen in the temperature range of 1373 ~ 1493 K and strain rate range of 0. 1 ~ 30. 0 s- 1with Gleeble-1500 simulated machine. The high temperature deformation constitutive equations and processing map were established,furthermore,the metallographic structures were investigated after deformation. The results showed that the flow stress and steady strain increased with the deformation temperature decreasing and strain rate increasing. Based on the isothermal compression experiment,the thermal deformation activation energy( Q) was obtained as 468. 25 kJ ·mol- 1by analyzing and calculating the curves of true-stress and true-stain. The flow stress model of hot deformation V-5Cr-5Ti alloy was constructed. Meanwhile,the processing map of high temperature deformation of V-5Cr-5Ti alloy was established. The map consisted of three parts,including deformation regionⅠ,deformation region Ⅱand flow instability region,and the flow instability region was diagonally continuous distribution. Based on drawing and analyzing the thermal processing map of V-5Cr-5Ti alloy and the analysis of the structure,the most suitable deformation method for V-5Cr-5Ti alloy was the deformation in deformation region Ⅱ using hydraulic machine.
Keyword：
V-5Cr-5Ti alloy; isothermal compression; constitutive equations; processing map;
Received： 2013-10-14
V-Cr-Ti合金作为聚变堆的重要候选结构材料,具有良好的高温强度[1]、抗中子辐照肿胀[2]和耐液态金属腐蚀[3]等特性。V-Cr-Ti合金为单一的 α-固溶体,通过添加耐蚀性能的Cr元素和抗辐照肿胀性能的Ti元素固溶强化合金[4]。V-Cr-Ti合金合金化程度的增加,加大了铸锭成分偏析趋势,提高变形抗力,降低合金塑性,使合金变形加工困难。
本研究以V-5Cr-5Ti合金的热模拟压缩试验结果为基础,研究变形工艺参数对V-5Cr-5Ti合金高温变形时流动应力的影响,建立V-5Cr-5Ti合金高温变形时的加工图,为合理地制定V-5Cr-5Ti合金的热加工工艺,有效控制和提高合金在热加工过程中的组织提供依据。
1实验
实验用V-5Cr-5Ti合金采用二次真空自耗熔炼成直径80 mm的合金锭,化学成分见表1。热模拟试样沿合金锭轴向取样,并加工成 Φ8 mm ×15 mm的标准试样。热模拟压缩试验在Gleeble-1500试验机上进行,变形过程中应力与应变关系曲线由Gleeble-1500试验机自动记录。试验条件如下: 升温速率为10 K·s- 1,升温至变形温度后保温5 min使试样温度均匀化,变形方式为轴向压缩,压缩前试样两端涂上高温润滑剂以减少不均匀变形。试验温度分别为: 1373,1413,1453和1493 K,应变速率
分别为0. 1,1. 0,10. 0和30. 0 s-1,最大真应变为0. 4。热压缩完成后水淬以保留高温变形组织,然后沿着平行于压缩轴方向将压缩试样对半抛开,制备金相试样。采用光学显微镜( OM,EPIPHOT) 分析合金组织,腐蚀液为HF∶ HNO3∶ H2O = 1∶ 1∶ 1( 体积比) 。
表1 钒合金板材的化学成分 Table 1Chemical compositions of vanadium alloy ( %, mass fraction) 下载原图
表1 钒合金板材的化学成分 Table 1Chemical compositions of vanadium alloy ( %, mass fraction)
2结果与讨论
2.1真应力-应变分析
V-5Cr-5Ti合金在不同变形条件下压缩时的真应力-应变曲线如图1所示。由图1可知,峰值应力或稳态应力( σp) 随变形温度的降低和应变速率的升高而提高。当应变速率相同时,变形温度升高,峰值应力或稳态应力逐渐降低,峰值应变也随着变形温度的升高而减小; 当变形温度相同时,应变速率升高,加工硬化率增大,峰值应力或稳态应力也随之提高。
当应变速率为0. 1 s- 1,变形温度较高( T≥ 1453 K) 时,真应力-应变曲线出现峰值,表现出动态再结晶的特征,见图1( a) 。而当应变速率为1.0 s- 1, T≥1493 K时,合金才发生动态再结晶转变。其他变形条件下,合金在变形过程中为动态回复型。
V-5Cr-5Ti合金在不同变形条件下的峰值应力、峰值应变与应变速率的关系曲线如图2。从图2可知,合金的动态软化过程与变形条件有关。当应变速率
相同时,变形温度T升高,动态软化程度增大,动态软化速率加快,峰值应力和稳态应力逐渐降低,峰值应变也随着变形温度的升高而减小。可能的原因是间隙原子扩散和位错进行攀移的驱动力越大,合金发生动态回复和再结晶的可能性越大,即合金发生动态软化趋势越大。动态软化可部分消除加工硬化现象从而导致材料在变形过程中的变形抗力降低。
2.2流动应力模型
对于一般金属材料,为了准确地反映其流变应力与变形温度、变形速率和变形程度的关系,一般是在Arrhenius方程的基础上进行修正获得材料的流变应力模型[5,6],其表达式为:
式中,A,α,n为与变形温度无关的常数; Q为变形激活能,J·mol- 1; R为气体常数; T为绝对温度; σ 为曲线的稳态流变应力或峰值应力。
由V-5Cr-5Ti合金的热压缩模拟试验数据获得峰值应力与变形速率的关系如图3。由图3可知, V-5Cr-5Ti合金的高温变形对数流动应力、流动应力与对数变形速率成近似线性关系。通过数学变换和整理可得 α = 0. 0033。
将方程( 1) 两边取自然对数得:
由式( 2) 可知若ln[sinh( ασp) ]与ln ε 曲线在对数坐标上成直线,则直线的斜率即为应变速率敏感指数m = ( 1 /n) ; 若ln[sinh( ασp) ]与1 /T的关系为线 性,则直线的 斜率为Q/nR。ln[sinh ( ασp) ]与ln ε,1 /T的关系曲线如图4。由图4可知,ln[sinh( ασp) ]与
1 /T均为近线性关系,对
直线斜率取倒数,并求出其平均值可得: n = 11. 19。对ln[sinh( ασp) ]- 1 /T直线求斜率可得Q/nR值,进而代入n = 11. 19和R = 8. 314可求得热变形激活能Q,求平均值可得Q = 468. 25 k J·mol- 1。
图2 峰值应力和峰值应变与应变速率的关系 Fig.2 Relationships between strain rate and peak stress,peak strain
( a) Peak stress; ( b) Peak strain
由以上获得的Q,n,σp值可求出A值,取平均为6. 528 × 1017。将上述材料常数代入式( 1) 中, 即可确立V-5Cr-5Ti合金的流变应力模型:
2.3加工图
加工图( processing map) 能够反映在各种变形温度和应变速率下,材料高温变形时内部微观组织的变化,并且可对材料的可加工性进行评估。加工图是由基于动态材料模型建立的能量耗散图和加工失稳图叠加而成的,它通过微观组织演变描述材料对变形工艺参数的动态响应[7,8,9]。
由V-5Cr-5Ti合金的热模拟压缩试验数据中采集合金在不同应变、应变率和变形温度下的流变应力值,进而可以作出不同应变量的加工图。一般加工图的作图过程如下[10,11,12,13,14,15]: 在一定温度下,采用3次样条函数拟合lnσ - ln ε 曲线,计算出该温度下应变率敏感指数m与应变速率之间的函数关系。根据m与
函数关系计算出功率耗散效率因子η = 2m( m + 1)- 1,在
平面内绘制出功率耗散效率因子 η 的等值轮廓曲线图; 按照流变失稳判据,计算不同温度和应变速率下的
值,并绘制加工失稳图; 最后两图合并就得到了合金的加工图,如图5。
V-5Cr-5Ti合金高温变形时的加工图可分为3个区域,共有两个变形安全区,一个流变失稳区。Ⅰ变形安全区是变形温度1413 K以下和应变速率3. 5 s- 1以上,在该区域内,η 值随温度变化不大, 但随应变速率的升高而升高。Ⅱ变形安全区是变形温度1413 K以上和应变速率6. 2 s- 1以下,该区域内,η 值随温度的降低而升高,随应变速率的降低而升高。流变失稳区是呈对角线连续分布。
图5 V-5Cr-5Ti 合金高温变形时的加工图 Fig.5 Processing map of V-5Cr-5Ti alloy under high temperature deformation
分析认为,功率耗散效率因子 η 值实际代表材料在热加工变形过程中的组织变化率。利用 η 值在一定温度和应变速率下的典型值来对这些显微组织变化的微观机制进行解释,并通过金相显微观察来进一步验证。在材料的安全加工区域内, η 值越大,表明功率耗散状态越低,材料内在可加工性越好。由图5可知,合金在Ⅰ变形安全区内应变速率越高,η 值越大,在该区域适合采用空气锤或高速锤进行加工。而在Ⅱ变形安全区中则适合采用液压机进行变形加工。合金应避免在流变失稳区内变形加工。
2.4高温变形显微组织分析
图6为V-5Cr-5Ti合金的金相组织。V-5Cr-5Ti合金铸态的金相组织为等轴状晶粒,晶粒大小约500 μm。在
变形后,合金组织保持变形后的流线,晶粒被压缩现象明显。但变形后合金部分晶界粗大,该部位可诱发微裂纹,导致材料使用特性失效,其加工参数对应于V-5Cr-5Ti加工图中的流变失稳区。
图7为V-5Cr-5Ti合金的变形组织。当变形条件为1413 K,
时,合金保持被压缩的流线,未见粗大晶界,合金的变形过程为动态回复型。在 1453 K
,变形后,合金大部分为变形原始晶 粒,但在晶界 处出现了 许多小于40 μm的新生晶粒,表明合金已开始发生动态再结晶转变,这与真应力-应变曲线图1( a) 得到的结果一致。图7中变形工艺参数分别对应Ⅰ变形安全区和Ⅱ变形安全区。
分析认为,V-5Cr-5Ti合金在Ⅰ变形安全区, 合金在变形过程中不发生动态再结晶,也不会出现合金组织失稳现象。当合金在Ⅱ变形安全区进行加工时,合金发生动态再结晶转变。结合组织分析,V-5Cr-5Ti合金最适合在Ⅱ变形安全区采用液压机进行变形加工; 但当合金在失稳区进行热加工时,合金出现失稳现象。
3结论
1. 流变应力和峰值应变随变形温度的降低和应变速率的提高而增大。
2. 通过对真应力-应变曲线的分析与计算得到V-5Cr-5Ti合金的热 变形激活 能Q值为468. 25 k J·mol- 1,并建立了流变应力模型,即:
3. 建立了描述V-5Cr-5Ti合金热加工性能的热加工图,共有3部分组成,即Ⅰ变形安全区,Ⅱ 变形安全区以及流变失稳区3部分,其中流变失稳区是呈对角线连续分布。
4. 在绘制、分析V-5Cr-5Ti合金的热加工图的基础上,结合组织分析得出,V-5Cr-5Ti合金最适合在Ⅱ变形安全区内采用液压机进行变形加工。
