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        熱加工條件下Ti60高溫鈦合金的本構(gòu)關系

        2012-07-16 03:57:50孫二舉邊麗虹
        航空材料學報 2012年3期
        關鍵詞:本構(gòu)鈦合金合金

        孫二舉, 邊麗虹, 劉 東, 焦 園, 張 睿

        (1.西北工業(yè)大學,西安710072;2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司,沈陽 110043)

        鈦合金因其低密度、高強度、耐熱性好等特點[1],是航空發(fā)動機中的關鍵結(jié)構(gòu)材料[2]。因而,進一步提高鈦合金部件的使用溫度是鈦合金技術(shù)領域的重要發(fā)展方向。目前高溫鈦合金的使用溫度已經(jīng)達到了600℃,比較典型的高溫鈦合金主要有IMI834,Ti1100,BT36,Ti60 等[3]。目前已經(jīng)應用的多數(shù)高溫鈦合金均屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α鈦合金。其中,Ti60合金是我國自主研發(fā)的一種能夠在600℃下長期工作的高溫鈦合金,其合金化特點是嚴格控制O含量,適當調(diào)整Al,Sn,Si含量,并添加了一定的稀土元素Nd(≤1%,質(zhì)量分數(shù)),從而獲得了優(yōu)異的熱強性和熱穩(wěn)定性,綜合性能相當于IMI834合金。

        由于Ti60合金合金化程度高,加工窗口狹窄,鍛件的組織性能對熱加工過程十分敏感,為了獲得所需的組織性能需嚴格控制加工工藝和成形過程。材料的本構(gòu)關系是聯(lián)系流動應力與鍛造熱力參數(shù)之間的最基本函數(shù)關系,是進行金屬塑性變形工藝設計和理論分析的基礎[4]。對于Ti60合金,其在熱加工參數(shù)范圍內(nèi)的本構(gòu)關系研究相對較少,因此,建立精確的、合理的本構(gòu)關系對Ti60合金鍛造工藝設計和過程控制非常重要。

        材料的本構(gòu)關系通常有兩種形式:機理型本構(gòu)關系和唯象型本構(gòu)關系。機理型本構(gòu)關系[5]側(cè)重于描述變形過程的微觀機理,是從高溫變形的物理機制出發(fā)建立起來的物理模型。這種本構(gòu)關系一般需要涉及多個描述微觀變形機制的參數(shù),測試和應用相對困難。唯象形本構(gòu)關系[6]是利用數(shù)理統(tǒng)計的方法對試驗測量的一定應變速率、溫度范圍內(nèi)的流動應力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,建立經(jīng)驗或半經(jīng)驗的唯象流動應力模型,此模型形式簡單,精度較高,應用容易。本工作即采用數(shù)理統(tǒng)計的方法根據(jù)等溫恒應變速率壓縮試驗數(shù)據(jù)建立Ti60合金的唯象型本構(gòu)關系,從而為熱加工條件下Ti60合金成形過程數(shù)值模擬和鍛件質(zhì)量控制提供基礎。

        1 試驗材料和方法

        試驗材料為Ti60合金鍛制棒材,其名義化學成分如表1所示。實測相變溫度為1050℃。其原始微觀組織如圖1所示。由圖1可知,Ti60合金原始組織由等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變組織組成,初生α相尺寸約30μm左右,體積分數(shù)約為60% ~70%。

        表1 Ti60合金的名義化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of Ti60 alloy(mass fraction/%)

        Ti60 alloy

        采用Gleeble-3500熱模擬試驗機進行等溫恒應變速率壓縮試驗,以獲得所研究材料的流動應力隨應變速率、等效應變和變形溫度的數(shù)據(jù)。試樣加工成φ8mm×12mm的圓柱體,上下兩端面加工有0.2mm的淺槽以存貯潤滑劑。試樣壓縮時,采用試驗機專用潤滑劑進行端面潤滑。在整個試驗過程中,試驗機自動采集和計算載荷、位移、真應力與真應變的數(shù)據(jù),以圖形和數(shù)據(jù)表格的方式輸出試驗結(jié)果。試驗方案如下:變形溫度為:960℃,990℃,1020℃,1050℃,1080℃;應變速率為:0.01s-1,0.1s-1,1s-1,10s-1;保溫時間為 10min;變形量均為60%;冷卻方式:水冷。每個規(guī)范兩個試樣。

        2 試驗結(jié)果討論與分析

        2.1 熱力參數(shù)對流動應力的影響

        圖2分別為Ti60合金不同變形溫度和應變速率條件下變形的應力-應變曲線(相同條件下兩個試樣的應力非常接近,圖中所示應力為兩個試樣應力的平均值)。從圖中可以看出,在試驗溫度范圍內(nèi),Ti60合金的應力隨著應變的變化特征基本接近。變形開始時,應力隨著應變的增加呈近直線關系迅速增大至峰值,隨著變形溫度的升高和應變速率的降低,峰值應力逐漸減小。隨后,在變形溫度和應變速率的影響下,應力隨著應變的增加有不同程度的下降。隨著應變的繼續(xù)增大應力軟化程度逐漸減小,流動應力趨于穩(wěn)定,材料進入穩(wěn)態(tài)變形階段。

        應該指出,對于本研究采用的Ti60合金,在材料發(fā)生屈服時均存在不同程度的應力突降現(xiàn)象。在試驗溫度和應變速率范圍內(nèi),應力突降的程度隨溫度的升高和應變速率的降低而減小。一般認為,鈦合金在屈服點附近的應力突降現(xiàn)象可用靜態(tài)理論和動態(tài)理論來解釋[7],前者主要與位錯的“釘扎”和“解脫”作用有關,后者則認為主要與可動位錯的突然增殖有關。作者認為,除了前述兩種理論外,出現(xiàn)應力突降現(xiàn)象還應該充分考慮材料成分和組織構(gòu)成的影響。對于Ti60這類高溫鈦合金,為了獲得理想的熱強性和高溫蠕變性能,一般均加入了較高含量的Si。熱加工過程中,硅化物主要以細小顆粒的形式在β轉(zhuǎn)變組織中彌散析出,從而明顯增強了位錯的“釘扎”作用和“位錯增殖”作用。這也是Ti60合金與其他種類鈦合金相比,屈服點應力突降現(xiàn)象更顯著的內(nèi)在原因。

        圖2 Ti60合金的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves in the isothermal compression of Ti60 alloy (a)T=960℃;(b)T=1020℃;(c)T=1080℃

        在溫度不變時,隨著應變速率的升高,材料的流動應力顯著升高,表現(xiàn)出較強的應變速率敏感性。其主要原因是隨著應變速率的增加,單位應變所需要的時間縮短,位錯增殖和運動速度增加,由位錯引起的加工硬化作用更加明顯,使得材料的流動應力增大。對于不同的應變速率,Ti60合金的應力-應變曲線表現(xiàn)為不同的流變特性:應變速率較高時(≥1s-1),流動應力經(jīng)過明顯的加工硬化達到最大值后逐漸減小;應變速率較低時(≤0.1s-1),流動應力達到最大值后基本保持不變,這主要是由于應變速率低,變形持續(xù)時間長,加工硬化效應能夠更充分地被再結(jié)晶等軟化過程抵消,同時,應變速率低,熱效應不明顯,因而流動應力基本達到一個平衡狀態(tài)。

        在應變速率不變時,隨著變形溫度的升高,材料的流動應力逐漸降低,同樣表現(xiàn)有較強的溫度敏感性。分析其原因是變形溫度的升高,原子熱振動的振幅增大,原子的平均動能增大,晶體產(chǎn)生滑移的臨界分切應力減小,材料的位錯運動和晶間滑移阻力降低,變形過程中的軟化作用加強,抵消了塑性應變造成的加工硬化,從而促使材料流動應力減小。

        2.2 本構(gòu)關系形式的選擇

        在金屬及合金的熱變形行為研究中,材料的本構(gòu)關系廣泛采用 Arrhenius型方程表示[8,9]:

        上述三種Arrhenius型方程根據(jù)流動應力出現(xiàn)的形式分別稱為指數(shù)方程、冪函數(shù)方程和雙曲正弦方程,對(1)至(3)式兩邊取對數(shù)后可表達為統(tǒng)一形式:

        對應于式(1)至(3),式中f(σ)分別表示 σ,lnσ,ln[sinh(ασ)];A,B,C,分別表示各方程中相應的系數(shù)項。由式(4)可知,對于給定的等效應變速率和變形溫度,f(σ)分別為ln˙()ε和1/T的二元線性函數(shù)。因此,將流動應力數(shù)據(jù)按式(4)進行處理,所表現(xiàn)出的線性關系越強,則本構(gòu)關系的計算精度越高。圖3和圖4分別為峰值應力條件下f(σ)與ln˙

        ()ε和1/T對應關系圖。從圖中可以看出f(σ)按式(4)處理后的試驗數(shù)據(jù)均不同程度地表現(xiàn)出與ln˙

        ()ε和1/T的高次函數(shù)關系。其中,冪函數(shù)方程的線性關系要優(yōu)于其它兩種方程。因此,本研究在建立Ti60合金本構(gòu)關系時,選取冪函數(shù)方程為基礎。同時,為了充分表征Ti60合金試驗數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的高次函數(shù)關系,在冪函數(shù)型Arrhenius方程基礎上,引入 Zener-Hollomon參數(shù)[10]的高次項,以進一步提高本構(gòu)關系的計算精度。具體方程形式如下:

        圖3 f(σ)與ln(˙ε)對應關系Fig.3The relation between f(σ)and ln(˙ε)(a)exponent equation;(b)power function equation;(c)hyperbolic sinh equation

        2.3 本構(gòu)關系建立

        本構(gòu)關系模型含有Zener-Hollomon參數(shù),需首先確定變形激活能Q。對式(2)兩邊取自然對數(shù)整理得:

        在一定的應變和應變速率下對式(6)兩邊求導得:

        在一定的應變和溫度條件下對式(6)兩邊求導得:

        由式(7)和(8)可知,n4可由lnσ與1/T直線斜率的平均值求得,n2可由lnσ與ln直線斜率倒數(shù)的平均值求得。通過R,n2和n4的值,由式(7)可求得變形激活能。經(jīng)計算Ti60合金的平均變形激活能Q=4.608 ×105J/mol。

        對Zener-Hollomon參數(shù)取自然對數(shù)可得:

        各試驗規(guī)范下,ln(Z)的值可由式(9)求得。根據(jù)等溫恒應變速率壓縮試驗數(shù)據(jù)按式(5)回歸處理,即可確定式中系數(shù)D1,D2,D3,D4與應變的關系,如圖5所示。

        對給定應變下系數(shù)D1,D2,D3,D4的計算值進行多項式擬合,可確定各系數(shù)與應變的關系,各系數(shù)的表達式和相關系數(shù)如表2所示。

        表2 系數(shù)D1,D2,D3,D4表達式和相關系數(shù)Table 2 The expressions and R-Square of D1,D2,D3,D4

        2.4 本構(gòu)關系驗證

        圖6所示為試驗測得的峰值應力按式(5)進行回歸分析的結(jié)果。從圖中可以看出,式(5)可以很好的描述Ti60合金峰值應力的變化規(guī)律。圖中數(shù)據(jù)點為試驗結(jié)果,曲線為采用式(5)的計算結(jié)果。

        采用所建立的本構(gòu)關系計算得到的不同變形條件下的流動應力曲線及其與試驗數(shù)據(jù)的對比示于圖7。誤差分析結(jié)果表明,試驗溫度條件下流動應力計算值與試驗值之間的相對誤差小于10%。因此,上述建立的本構(gòu)方程較準確的描述了Ti60合金熱態(tài)變形時流動應力的變化規(guī)律。

        圖6 Ti60合金峰值應力與參數(shù)Z的關系Fig.6 The ln σp-lnZ curves of Ti60 alloy

        圖7 Ti60合金流動應力試驗值與計算值的比較Fig.7 Contrast calculated result with experimental result of flow stress(a)1020℃;(b)1050℃

        3 結(jié)論

        (1)隨著溫度的升高和應變速率的降低,Ti60合金流動應力顯著減小,表現(xiàn)為較強的溫度和應變速率敏感性。在不同的變形條件下,Ti60合金表現(xiàn)為不同的軟化機制:高溫、低應變速率條件下,流動應力很快達到穩(wěn)態(tài)應力;低溫、高應變速率條件下,流動應力經(jīng)歷了一段應變軟化后,逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。

        (2)以冪函數(shù)型Arrhenius方程為基礎,根據(jù)等溫恒應變速率壓縮試驗數(shù)據(jù)建立了Ti60熱加工過程本構(gòu)關系。誤差分析結(jié)果表明,試驗溫度條件下流動應力計算值與試驗值之間的相對誤差小于10%,因此本文建立的本構(gòu)方程計算精度較高,能夠比較精確地描述Ti60合金熱加工過程中的流動行為。

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