简介概要

TB2钛合金热压缩变形流变应力

来源期刊：稀有金属2007年第6期

论文作者：赵云豪汪发春沈健

关键词：TB2钛合金; 热压缩变形; Zener-Hollomon参数; 流变应力; 应变速率;

摘要：在Gleeble-1500D热/力模拟试验机上, 采用高温等温压缩试验, 对TB2钛合金在高温压缩变形中流变应力行为进行了研究; 应变速率为0.01～10 s-1, 变形温度为600～1200 ℃. 结果表明: 应变速率和变形温度的变化显著地影响合金流变应力的大小, 流变应力随变形温度的升高而降低, 随应变速率的提高而增大; 可用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数形式来描述合金的流变应力行为.

稀有金属 2007,(06),732-736 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.06.005

TB2钛合金热压缩变形流变应力

沈健赵云豪

北京有色金属研究总院有色金属加工工程研究中心,北京有色金属研究总院有色金属加工工程研究中心,北京有色金属研究总院有色金属加工工程研究中心北京100088,北京100088,北京100088

摘要：

在Gleeble-1500D热/力模拟试验机上, 采用高温等温压缩试验, 对TB2钛合金在高温压缩变形中流变应力行为进行了研究;应变速率为0.01¹0 s-1, 变形温度为600¹200℃。结果表明:应变速率和变形温度的变化显著地影响合金流变应力的大小, 流变应力随变形温度的升高而降低, 随应变速率的提高而增大;可用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数形式来描述合金的流变应力行为。

关键词：

TB2钛合金;热压缩变形;Zener-Hollomon参数;流变应力;应变速率;

中图分类号： TG115.53

作者简介：沈健 (E-mail:jshen@grinm.com) ;

收稿日期：2006-11-17

Flow Stress Behavior of TB2 Titanium Alloy during Hot Compression

Abstract：

The flow stress behavior of TB2 titanium alloy during hot compression was studied in the temperature range of 600～1200 ℃ and at a strain rate of 0.01～10 s1 on Gleeble-1500D thermal/mechanical simulator.The results showed that the flow stress was controlled by both strain rate and deforming temperature.The flow stress decreased with the increase of deforming temperature, while increased with the increase of strain rate.The flow stress of TB2 titanium alloy during compression at elevated temperatures could be represented by a Zener-Hollomon parameter in a hyperbolic-sine relationship.

Keyword：

TB2 titanium alloy;hot compression deformation;Zener-Hollomon parameter;flow stress;strain rate;

Received： 2006-11-17

TB2钛合金是我国在1966年自行研制的β型钛合金 ^[1,2] 。该合金在β相区固溶处理后, 得到体心立方的β相; 在这种状态下, 合金具有良好的冷加工和冷成型性。固溶后的合金通过时效, 介稳定的β相分解, 析出α相, 使该合金得到显著强化。同时该合金断裂韧性高、耐蚀性好, 在300 ℃下具有较良好的热稳定性, 因此极适宜制作航空、航天用冷镦铆钉、螺栓、燃料贮箱、高压容器等。为了进一步提高该合金的综合性能, 充分挖掘其使用潜力以满足航空航天工业的需求, 从不同的侧面对该合金进行各种深入细致的研究, 具有重要的实际意义。

TB2钛合金在热变形过程中流变应力的大小是决定变形所需负荷及所需消耗能量的关键因素。在制定具体工艺流程、设计和校核压力加工设备和工具时首先应确定材料变形的流变应力。流变应力σ的大小与变形温度T、应变速率、应变量ε等有关, 也与材料的成分、晶粒尺寸、变形历史、热处理制度等其他条件有关。忽略后者的影响, 可表达为 ^[3,4] :

上式的具体形式随材料、变形方式等变化, 通常可采用指数关系、幂指数关系和双曲正弦函数关系来描述 ^[3,5,6,7] , 即:

式中, A, A₁, A₂, n≈n₁, α, β (=αn) 和变形激活能Q为材料常数, R为理想气体常数。

1 材料与方法

试验用材料为采用真空自耗电极二次电弧熔炼法制备的Φ 380 mm TB2钛合金铸锭, 其名义成分为Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, α+β/β相变温度为750±5 ℃。铸锭锻造后, 经710 ℃/30 min固溶处理, 机械加工成Φ 8 mm×12 mm的Rastegaev压缩试样, 上下两端加工成Φ 7 mm×0.2 mm的浅槽, 以添加BN润滑剂, 减少摩擦, 保证压缩变形的均匀性和稳定性, 防止严重鼓形出现。压缩试验在Gleeble-1500D热/力模拟试验机上进行, 加热速度为5 ℃·s^-1, 至压缩温度时保温5 min, 然后进行压缩。变形温度分别为: 600, 650, 700, 750, 850, 1050, 1200 ℃, 应变速率分别为0.01, 0.1, 1, 5, 10 s^-1, 变形过程全部由计算机控制并自动采集有关数据。

2 结果

TB2钛合金高温压缩变形时随变形温度和应变速率的变化所获得的真应力-真应变曲线如图1所示。

图1 TB2钛合金高温压缩变形真应力-真应变曲线

Fig.1 True stress-strain curves of TB2 titanium alloy during hot compression

(a) 650℃σ-εcurve; (b) 700℃σ-εcurve; (c) 750℃σ-εcurve; (d) 850℃σ-εcurve; (e) 1050℃σ-εcurve; (f) 1200℃σ-εcurve; (2) ﹒ε=1.0 s^-1; (3) ﹒ε=0.1 s^-1; (4) ﹒ε=0.01 s^-1

由图1可见, TB2钛合金高温压缩变形时, 流变应力的变化规律表现为: (1) 在峰值点之前, 应力随应变量的增加呈现近直线关系迅速增大; (2) 在应变速率一定时, 随变形温度的升高, 峰值点呈下降趋势; 在温度一定时, 随变形速率的升高, 峰值点呈上升趋势; (3) 在试验条件下, 达流变应力峰值点后, 流变应力随应变量的增大而呈现逐渐降低的趋势; (4) 在同一应变速率条件下, 随着变形温度的升高, 真应力-应变曲线更加复杂曲折; (5) 变形温度≥750 ℃时, 真应力-应变曲线表现出锯齿状波动现象。

3 高温塑性变形材料常数的求解

许多研究表明 ^{[3,8,9,10,11]} , 材料在高温塑性变形过程中流变应力和应变速率之间在低应力水平条件下满足 (2) 式所示的关系; 在高应力水平条件下满足 (3) 式所示的关系; 且材料高温塑性变形的材料常数满足如下关系:

根据低应力水平时的关系求得A₁和n₁值; 根据高应力水平时的关系可以求出A₂和β值; 再由 (4) 式、 (5) 式即可求得变形激活能Q值。

分别对 (2) 式、 (3) 式和 (4) 式进行对数线性化处理得:

在变形温度一定时, 可将 (7) 式、 (8) 式和 (9) 式简化为:

在应变速率一定时, 可将 (9) 式简化为:

ln[sinh (ασ) ]=A+B/T (13)

按上述各式对实验数据进行回归处理整理 (如图2、图3所示) , 将图2 (c) 中6条直线斜率的平均值3.945和图3中4条直线斜率的平均值4570.534代入 (6) , 得到变形激活能Q=149.911 kJ·mol^-1。

图2 应变速率与峰值应力的关系

Fig.2 Relationships between strain-rate and regression line; regression line; regression line; (1) T=650 ℃; (2) T=700 ℃; (3) T=750 ℃; (4) T=850 ℃; (5) T=1050 ℃; (6) T=1200 ℃

(a) ln﹒ε-lnσregression line; (b) ln﹒ε-σregression line; (c) ln﹒ε-ln[sinh (ασ) ]regression line; (1) T=650℃; (2) T=700℃; (3) T=750℃; (4) T=850℃; (5) T=1050℃; (6) T=1200℃

图3 峰值应力与变形温度的关系

Fig.3 Relationship between peak-stress and deforming-temperature

4 讨论

在热加工过程中, 一方面因形变使位错不断增殖和积累, 变形抗力不断增大; 另一方面通过热激活使位错偶对消、胞壁锋锐规整化形成亚晶以及亚晶合并等动态回复或动态再结晶过程也在进行。在形变开始阶段, 形变硬化大于动态回复或动态再结晶软化, 且二者的差值随变形的进行而增大; 当应变量达到相当于应力-应变曲线的峰值时, 两个过程正好相等。并且随着变形温度的升高, 由于热激活的作用, 原子的动能增大, 原子间的结合力减弱, 合金变形时的临界切应力降低; 同时, 动态回复等引起的软化程度也随温度的升高而增大, 从而导致合金表现出更低的流变应力水平。当应变速率降低时, 塑性变形得以充分进行, 相应地弹性变形量减少, 导致流变应力降低。此外, 应变速率越低, 位错被激活的时间越长, 动态回复进行得越充分, 从而也有助于峰值应力的降低。因此, TB2钛合金高温压缩变形时, 在应力峰值点之前, 应力随应变量的增加呈现近直线关系迅速增大; 且随着变形温度的升高或 (和) 应变速率的降低, 合金的峰值应力水平不断降低。

当越过应力峰值点后, 动态回复或动态再结晶软化程度超过了形变硬化, 流变应力便逐渐降低或保持动态稳定。同时, 在塑性变形过程中90%以上的能量都转化为热能; 变形温度越低或 (和) 应变速率越大, 变形抗力也越大, 塑性变形过程中消耗的能量就越多, 转化成的热能也就越多; 且变形温度越低或变形速率越大, 单位时间内形变热散失的就越少。因此, 随着变形温度的降低或应变速率的增大, 形变热效应就越显著, 甚至出现近似“绝热温升”现象, 如图4所示: 在应变速率为1.0 s^-1下, 初始变形温度为650 ℃时, 最大温升近100 ℃; 而初始变形温度为1200 ℃时, 最大温升约为0 ℃。因此, 至应力峰值点后, 在同一应变速率条件下, 随变形温度的降低, 流变应力随应变量的增大而逐渐降低的程度逐渐增强。

在高应变速率或低变形温度下, 再结晶的速度慢, 当第一轮再结晶未完成时就开始了第二轮再结晶。所以, 在应力-应变曲线出现第一个峰后, 材料始终处于部分再结晶状态, 应力-应变曲线就平滑化了; 而在低变形速率或高变形温度下, 往往在第一轮再结晶完成后才开始进行第二轮再结晶, 这些过程重复出现, 应力-应变曲线就出现多峰波动的形状, 即锯齿状。因此, 在同一应变速率条件下, 随着变形温度的升高, TB2钛合金的真应力-应变曲线逐渐表现为锯齿状波动现象。

图4 变形温度变化与应变量的关系

Fig.4 Relationship between deforming-temperature and strain

由图1可知, TB2钛合金高温压缩变形的峰值应力与流变应力随变形温度升高和应变速率减小而降低。因此可将变形条件表示为温度补偿应变速率因子Zener-Hollomon参数, 即:

将相关实验数据代入 (14) 式, 并进行回归处理, 如图5所示。通过对3组线性回归的相关系数和相应的斜率值进行比较, 发现Z参数的对数与流变应力双曲函数的对数之间的相关系数达到0.996, 大于Z参数的对数与流变应力 (0.980) 或流变应力的对数 (0.976) 之间的相关系数, 说明采用Z参数的双曲函数形式可以较好地描述TB2钛合金高温压缩变形时的流变应力行为。由图5 (c) 可以看出, 流变应力双曲函数的对数值随Z参数对数值的增大而呈线性增长。

图5 流变应力与Z参数的关系

Fig.5 Relationship between flow-stress and Zener-Hollomon parameter (a) lnZ-σ regression line; (b) lnZ-lnσ regression line; (c) lnZ-ln[sinh (ασ) ] regression line