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高強(qiáng)鈦合金板材的室溫成形

鈦板材因其強(qiáng)度高、重量輕、結(jié)構(gòu)剛性好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的認(rèn)可。高強(qiáng)鈦合金Ti-6Al-4V不僅可用于航空領(lǐng)域，也是汽車(chē)、化工等其它工業(yè)領(lǐng)域用結(jié)構(gòu)件的重要候選材料。Ti-6Al-4V合金板材在室溫下的可成形性非常有限，成形后的回彈很大，這給傳統(tǒng)的沖壓和壓力成形帶來(lái)很多問(wèn)題。盡管高溫下，Ti-6Al-4V合金板材的成形極限會(huì)有所提高，回彈會(huì)減小，但室溫成形在節(jié)約成本方面還是具有很大的優(yōu)勢(shì)。軋制成形是一種利用旋轉(zhuǎn)的軋輥使金屬坯料逐步變形而制成工件的成形方法，適合成形強(qiáng)度高且可成形性有限的結(jié)構(gòu)件，被越來(lái)越多的應(yīng)用在汽車(chē)工業(yè)中，主要用于成形超高強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋼等。由于軋制成形過(guò)程中，材料的回彈角小并且可通過(guò)簡(jiǎn)單易行的方法進(jìn)行回彈補(bǔ)償，因此，軋制成形是Ti-6Al-4V合金板材室溫成形的一種有效方法。為此，Ossama等對(duì)經(jīng)820 ℃退火處理后的2 mm厚高強(qiáng)Ti-6Al-4V合金板材在室溫下的成形及回彈行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究。

實(shí)驗(yàn)選用的Ti-6Al-4V合金板材的原始組織由93.86%的等軸α相和6.14%的β相組成，平均晶粒尺寸為1.3 μm±0.7 μm。室溫拉伸測(cè)試結(jié)果表明，其各向異性較大，與軋制方向成45°方向時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度最低，延伸率較高，且當(dāng)達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，試樣會(huì)很快發(fā)生斷裂。成形極限測(cè)試試驗(yàn)在裝有半球狀沖頭的設(shè)備上完成，半球沖頭的直徑為60 mm。采用裝有4個(gè)先進(jìn)CCD相機(jī)的光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)“Autogrid Vario”來(lái)記錄每個(gè)試樣完整的變形歷史。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的試樣形狀來(lái)測(cè)試不同應(yīng)變路徑的變形行為。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有的試樣均在半球沖頭的頂部突然發(fā)生斷裂，斷裂前沒(méi)有明顯的頸縮現(xiàn)象，說(shuō)明該合金的室溫成形性是非常有限的。對(duì)比分析了Ti-6Al-4V合金板材室溫彎曲和軋制成形時(shí)的變形行為。結(jié)果表明，擺錘折疊彎曲試驗(yàn)和V型模彎曲試驗(yàn)的最小彎曲半徑為9 mm，而軋制成形的最小彎曲半徑為7.51 mm，提高了15%以上。軋制成形可以成形更小的半徑尺寸且比簡(jiǎn)單的彎曲成形回彈更小。這主要是由于軋制成形是一個(gè)多工步的累積變形過(guò)程，逐步多次變形可以抑制裂紋的長(zhǎng)大，同時(shí)使材料的變形比普通的一次變形更加充分。另外，在高強(qiáng)鋼軋制過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的形狀缺陷在Ti-6Al-4V合金軋制成形過(guò)程中相對(duì)較少。可見(jiàn)，軋制成形是室溫成形航空及汽車(chē)結(jié)構(gòu)件用高強(qiáng)鈦合金板材的很有潛力的工藝方案。

賈蔚菊摘譯自《Materials and Design》