胡靜

（成都工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，成都 611730）

0 引 言

TC4 鈦合金由美國(guó)于1954 年研制成功［1］。它是一種α+β 等軸馬氏體型兩相合金，密度小、耐高溫、比強(qiáng)度高、耐腐性好、抗氧化性能好，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、艦船及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，約占鈦合金總產(chǎn)量的50%。在金屬壓力加工中引入電流，電子的定向運(yùn)動(dòng)促進(jìn)微觀形變，有利于塑性變形。材料發(fā)生塑性變形所需的應(yīng)力越小，則其變形抗力越小，塑性越好。鈦合金的力學(xué)性能對(duì)電力學(xué)參數(shù)敏感，因此，研究高溫壓縮過程中電流大小對(duì)TC4 鈦合金力學(xué)行為的影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化和提高工件質(zhì)量是非常有意義的。

高溫壓縮試驗(yàn)是利用電流作為加熱源，以不同的升溫速度分別加熱不同晶粒度的TC4 鈦合金。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次電塑性壓縮試驗(yàn)材料為若干φ5×7.5 mm TC4 鈦合金小圓柱體試樣，平均晶粒度分別為8 μm、16 μm 和20 μm，退火態(tài)，等軸α+β 組織?；瘜W(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：Ti，6.50%Al，4.25%V，0.16%O，0.04%Fe，0.02%C，0.015%N，0.0018%H 和其他。

1.2 試驗(yàn)方法

利用Gleeble-1500D 動(dòng)態(tài)熱-力學(xué)模擬機(jī)完成TC4鈦合金高溫壓縮實(shí)驗(yàn)。熱-力學(xué)模擬機(jī)利用閉環(huán)控制的直流電阻加熱方式加熱試樣，工藝路線為：分別以10 ℃/s 和50 ℃/s 的升溫速度將試樣加熱至變形溫度700 ℃，變形速率為10-3/s，變形量為35%，水淬。

2 結(jié)果及分析

2.1 電流大小與升溫速度的關(guān)系

熱-力學(xué)模擬機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)升溫速度控制輸出電流大小，且滿足下式：

式中：I 為通過試樣的電流；A 為試樣橫截面積；ρ 為試樣的密度；C 為試樣的比熱容；σ 為試樣的電阻系數(shù)；dT/dt為試樣的預(yù)設(shè)升溫速度。

由式（1）可知，試樣一定，I 與dT/dt 相關(guān)，理想狀態(tài)時(shí)I2∝dT/dt。得到以下結(jié)論：利用熱-力學(xué)模擬機(jī)進(jìn)行高溫壓縮時(shí)，通過試樣的電流大小與預(yù)設(shè)升溫速度大小有關(guān)。預(yù)設(shè)升溫速度大，則實(shí)際通過試樣的電流大；預(yù)設(shè)升溫速度小，則實(shí)際通過試樣的電流小。

2.2 電流大小對(duì)升溫過程應(yīng)力的影響

材料內(nèi)部任意一點(diǎn)的局部應(yīng)力都是由外加應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力組成［2］，即其中：τloc為作用于滑移面上的局部應(yīng)力；τ 為外加應(yīng)力；τi為內(nèi)應(yīng)力。

外加應(yīng)力由熱-力學(xué)模擬機(jī)的力學(xué)控制系統(tǒng)提供，它促進(jìn)位錯(cuò)的可動(dòng)性。內(nèi)應(yīng)力包括晶格摩擦力、長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力、滑移位錯(cuò)與林位錯(cuò)之間產(chǎn)生的交互作用力和阻力，長(zhǎng)程內(nèi)應(yīng)力促進(jìn)位錯(cuò)可動(dòng)性，其余應(yīng)力阻礙位錯(cuò)可動(dòng)性。當(dāng)促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)生的應(yīng)力和大于阻礙位錯(cuò)發(fā)生的應(yīng)力和時(shí)，位錯(cuò)可動(dòng)，否則位錯(cuò)不可動(dòng)。當(dāng)微觀變形達(dá)到臨界條件后，便產(chǎn)生宏觀上的塑性變形［3］。

本實(shí)驗(yàn)分別以10 ℃/s 和50 ℃/s 的升溫速度將試樣加熱至700 ℃進(jìn)行壓縮，整個(gè)過程可以分為兩個(gè)階段：升溫階段和保溫階段（恒溫變形階段）。升溫階段利用電流加熱試樣，電流產(chǎn)生的焦耳熱為試樣提供熱量，電流帶來的電塑性作用十分明顯。

由焦耳-楞次定律，電流通過試樣時(shí)產(chǎn)生的熱量［4-5］

式中：Q 為電流通過試樣產(chǎn)生的熱量；R 為試樣的電阻值；t 為通電時(shí)間。

圖1 是分別以10 ℃/s 和50 ℃/s 的預(yù)設(shè)升溫速度加熱時(shí)測(cè)得的實(shí)際溫度-時(shí)間曲線圖。從圖中可以看出，曲線幾乎呈斜直線上升至700 ℃，這說明在整個(gè)升溫過程中升溫速度基本恒定。曲線在起始端有波動(dòng)，這是因?yàn)閷?duì)試樣突然施加電流造成的不穩(wěn)定現(xiàn)象，在之后的整個(gè)過程中曲線未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，說明試樣自身的參數(shù)（如密度、比熱容和電阻等）變化對(duì)溫度的影響不大。由式（1）知，I2∝dT/dt，綜合考慮ρ、C 和σ 對(duì)電流的影響，可將它們共同的作用視為恒量，所以在升溫速度一定時(shí)，電流大小也基本恒定。升溫過程中，為了討論電阻效應(yīng)，我們利用應(yīng)力-溫度曲線對(duì)比同溫度不同升溫速度下的應(yīng)力值大小，即排除焦耳熱差異帶來的應(yīng)力變化。圖2 是晶粒度分別為8 μm、16 μm 和20 μm 的TC4 鈦合金在10 ℃/s和50 ℃/s 升溫速度下的應(yīng)力-溫度曲線圖，該圖反映電流大小對(duì)升溫過程應(yīng)力值的影響。相同晶粒度不同升溫速度下得到的應(yīng)力-溫度曲線差異很大，以升溫速度10 ℃/s加熱試樣時(shí)的應(yīng)力值明顯大于升溫速度為50 ℃/s 時(shí)的應(yīng)力值。這主要是因?yàn)殡娮拥亩ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)有促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，隨著電流的增大，定向運(yùn)動(dòng)電子數(shù)越多，對(duì)位錯(cuò)的影響愈明顯。圖2（a）、（b）、（c）中，升溫速度為10 ℃/s 時(shí)應(yīng)力峰值分別為600 MPa、500 MPa 和500 MPa，升溫速度為50 ℃/s 時(shí)應(yīng)力峰值分別為300 MPa、260 MPa 和300 MPa。應(yīng)力越小，材料抵抗變形的能力越差，塑性越好。由此可知電流越大，越容易誘發(fā)材料變形，這對(duì)材料的塑性是有利的。

圖1 不同升溫速度的溫度-時(shí)間曲線圖

圖2 不同升溫速度的應(yīng)力-溫度曲線圖

相同溫度時(shí)，小電流作用下，電子活躍程度低，熱運(yùn)動(dòng)不是特別劇烈，激活能低，所以應(yīng)力大，曲線先上升后下降。大電流作用下，電子活躍程度高，熱運(yùn)動(dòng)劇烈，激活能高，所以應(yīng)力小，曲線一直上升，見圖2（d）。因?yàn)樾‰娏骷訜嵩嚇右欢螘r(shí)間，溫度升到500 ℃時(shí)，在焦耳熱和電流的耦合作用下，原子熱運(yùn)動(dòng)和電子定向運(yùn)動(dòng)的持續(xù)作用使得應(yīng)力下降。大電流加熱試樣時(shí)升溫速度更快，在很短的時(shí)間內(nèi)便升到了700 ℃，持續(xù)作用效應(yīng)沒有體現(xiàn)出來。最后，二者到達(dá)700 ℃時(shí)的應(yīng)力大小基本相同?？偟膩碚f，電流小，則應(yīng)力大且急劇上升；電流大，則應(yīng)力小且平穩(wěn)上升。大電流作用更有利于塑性變形。

通電前，試樣內(nèi)的電子做雜亂無章的運(yùn)動(dòng)，在通電的瞬間，電子做定向運(yùn)動(dòng)，突然加劇電子與晶格的碰撞，導(dǎo)致晶格的熱運(yùn)動(dòng)加劇［6］，溫度急劇上升，所以圖中的起始溫度約100 ℃。升溫速度大小對(duì)起始溫度影響不大。

2.3 電流大小對(duì)真應(yīng)力-真應(yīng)變的影響

圖3 是晶粒度分別為8μm、16μm 和20μm 的TC4鈦合金在以升溫速度10 ℃/s 和50 ℃/s 作用下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。由圖可知，以電流作為加熱源壓縮時(shí)，主要軟化機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。應(yīng)力逐漸下降，未出現(xiàn)波動(dòng)，故為連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程。材料內(nèi)部積累了足夠高的位錯(cuò)密度后，在一定大小的驅(qū)動(dòng)力作用下，便可發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶［7］。圖3 中，電流越大，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化時(shí)的臨界變形量越小，說明電流的增大可以提前動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化過程。

圖3 不同電流大小的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線圖

圖3 中曲線1 應(yīng)力值在變形初期驟增，達(dá)到峰值后急劇下降，最后緩慢降低，趨于穩(wěn)定。因?yàn)橐?0 ℃/s 的速度加熱時(shí)，通過試樣的電流值較小，材料內(nèi)部雖然產(chǎn)生了大量位錯(cuò)，但是畸變能還不足以誘發(fā)大量動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，加工硬化占主導(dǎo)地位。加熱到一定溫度后，在溫度和電流的共同作用下開始發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化，由于前期儲(chǔ)存大量位錯(cuò)，所以一旦誘發(fā)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化則應(yīng)力下降明顯。當(dāng)加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化趨于平衡狀態(tài)時(shí)，流變應(yīng)力緩慢降低，趨于穩(wěn)定。圖中曲線2 以50 ℃/s 的速度加熱時(shí)，通過試樣的電流值大，電流提供更高的變形能，促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，所以該曲線出現(xiàn)了典型的應(yīng)變硬化階段和穩(wěn)態(tài)流變階段，符合典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特點(diǎn)。

壓縮變形初期，在電流和壓力的共同作用下，位錯(cuò)啟動(dòng)并產(chǎn)生大量新的位錯(cuò)，導(dǎo)致位錯(cuò)迅速增殖，產(chǎn)生加工硬化，應(yīng)力迅速上升。隨著變形量的不斷增加，位錯(cuò)密度增加，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶加快，軟化作用加強(qiáng)，當(dāng)軟化作用大于加工硬化作用時(shí)，曲線開始下降，應(yīng)力降低，此時(shí)的應(yīng)力在峰值和屈服應(yīng)力之間，屬于穩(wěn)態(tài)。

電流能降低材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度、促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化，電流越大效果越明顯。同時(shí)，電流越大電子活躍程度也越大，因此材料內(nèi)部的晶格摩擦力、位錯(cuò)交互力和阻力也越大，τloc發(fā)生變化。當(dāng)τloc≤0 時(shí)，部分可動(dòng)位錯(cuò)變成不可動(dòng)位錯(cuò)，造成位錯(cuò)塞積，軟化能力受到影響。電流越大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化能力越差，穩(wěn)定態(tài)的應(yīng)力越大；電流越小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化能力越好，穩(wěn)定態(tài)的應(yīng)力越小。這就是曲線2 的應(yīng)力值大于曲線1 應(yīng)力值的原因，相同應(yīng)變時(shí)二者的應(yīng)力值相差約50 MPa。

3 結(jié) 論

1）以電流加熱試樣的升溫階段，小電流作用下，應(yīng)力大且急劇上升，到達(dá)峰值后急劇下降；大電流作用下，應(yīng)力小且平穩(wěn)上升。升溫至預(yù)設(shè)變形溫度700 ℃時(shí)二者應(yīng)力大小基本相同。大電流作用更有利于塑性變形。

2）在試樣上施加大電流可以使其提早進(jìn)入動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程，無應(yīng)力驟增現(xiàn)象，塑性變形均勻，但其穩(wěn)定態(tài)的應(yīng)力大。施加小電流時(shí)進(jìn)入動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程較晚，且在變形初期應(yīng)力驟增，不利用塑性變形，但其穩(wěn)定態(tài)的應(yīng)力小。

3）鈦合金是高層錯(cuò)能金屬，一般情況下其主要軟化機(jī)制是動(dòng)態(tài)回復(fù)。本次實(shí)驗(yàn)的變形溫度為700 ℃，低于其理論再結(jié)晶溫度。由真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線知，TC4 鈦合金在其再結(jié)晶溫度以下發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化，減小了材料在塑性變形過程中的抗力，從而說明電流能使層錯(cuò)能高的材料在較低溫度下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化，降低變形抗力，有利于塑性變形。

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