東赟鵬，于秋穎，方爽，王淑云，王超淵，宋曉俊

TA7鈦合金高溫流變行為研究

東赟鵬，于秋穎，方爽，王淑云，王超淵，宋曉俊

(北京航空材料研究院，北京100095)

通過(guò)熱壓縮試驗(yàn)研究了TA7鈦合金在變形溫度850～1000℃、應(yīng)變速率0.001～0.1s－1條件下的流變應(yīng)力變化規(guī)律，計(jì)算并建立了描述TA7鈦合金高溫變形特性的本構(gòu)方程。結(jié)果表明:變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)TA7鈦合金流變應(yīng)力影響顯著，隨變形溫度升高和變形速率的降低，相同變形程度下合金的流變應(yīng)力顯著降低，并且在較低的應(yīng)變下合金即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)流變狀態(tài)。

TA7;鈦合金;流變應(yīng)力;本構(gòu)方程

TA7鈦合金屬于中等強(qiáng)度的單相α型鈦合金，具有比強(qiáng)度高、中溫性能好、耐腐蝕性能強(qiáng)、室溫和高溫下斷裂韌性好等優(yōu)點(diǎn)，可長(zhǎng)期在500℃條件下工作，短時(shí)工作溫度可達(dá)800℃，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)鍛件，同時(shí)也可用以制造機(jī)匣殼體、壁板、緊固件等零件［1～4］。該合金在α相區(qū)冷成形時(shí)變形抗力大，工藝塑性差，一般在較高溫度下塑性成形加工，因此對(duì)TA7鈦合金高溫變形特性的系統(tǒng)研究對(duì)成形工藝的制定具有重要的指導(dǎo)意義。本研究針對(duì)TA7鈦合金的高溫變形行為，擬建立描述該合金流變特性的本構(gòu)方程，從而為其熱加工工藝的制定提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為T(mén)A7鈦合金棒材，具體的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 TA7鈦合金棒材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of TA7 titanium alloy bar(mass fraction/%)

1.2實(shí)驗(yàn)方法

從TA7鈦合金棒材切取8mm×12mm的熱壓縮試樣，在THERMECMASTOR-Z熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫壓縮變形實(shí)驗(yàn)。為了保證試樣在壓縮過(guò)程中處于軸向應(yīng)力狀態(tài)，在試樣兩端面涂抹高溫潤(rùn)滑劑以減小試樣與壓頭間的摩擦力。試樣變形溫度分別為850℃，900℃，950℃和1000℃，應(yīng)變速率分別為0.1s－1，0.01s－1，0.005s－1和0.001s－1，變形量為50%。試樣以10℃/s加熱至變形溫度保溫5min后進(jìn)行熱壓縮，熱壓縮過(guò)程中應(yīng)變速率和變形溫度均保持恒定，變形結(jié)束后冷卻方式為在氦氣氛圍中10s內(nèi)激冷至500℃后水冷。應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等數(shù)據(jù)由Thermecmastor-Z熱模擬試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1為T(mén)A7鈦合金在不同變形溫度和不同應(yīng)變速率下熱壓縮50%后的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)。從圖1可以看出，不同變形條件下該合金流變行為隨應(yīng)變量的變化規(guī)律較為相似，即:變形初期，由于位錯(cuò)大量增殖和積累，加工硬化占主導(dǎo)地位，流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加急劇增大;隨應(yīng)變量的不斷增加，位錯(cuò)密度不斷增高，晶體內(nèi)部存儲(chǔ)的能量不斷增加，當(dāng)真應(yīng)變超過(guò)一定值后，合金出現(xiàn)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，流變應(yīng)力不再隨應(yīng)變量的繼續(xù)增加而發(fā)生明顯的變化，出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流變特征。

此外，從圖1a～d中流變曲線(xiàn)的對(duì)比中可知，TA7鈦合金在α相區(qū)內(nèi)熱變形時(shí)流變應(yīng)力隨變形溫度降低和應(yīng)變速率提高而大幅度升高。這是因?yàn)闇囟冉档停辖鹱冃嗡杓せ钅苌?，流變?yīng)力增大;應(yīng)變速率增加使合金內(nèi)部位錯(cuò)增殖速度加快，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，加工硬化效果增強(qiáng)，因而導(dǎo)致流變應(yīng)力增大。這說(shuō)明TA7鈦合金的流變應(yīng)力對(duì)變形條件比較敏感，因此合金鍛造過(guò)程中應(yīng)準(zhǔn)確合理控制變形溫度和應(yīng)變速率這兩個(gè)工藝參數(shù)。

圖1 TA7鈦合金熱壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.1 True strain-true stress curves of TA7 titanium alloy during hot compression (a)850℃;(b)900℃;(c)950℃;(d)1000℃

3 TA7鈦合金本構(gòu)方程

3.1本構(gòu)方程的建立

金屬材料高溫變形過(guò)程一般采用Arrhenius型本構(gòu)方程來(lái)描述合金流動(dòng)應(yīng)力與應(yīng)變速率、變形溫度之間的關(guān)系［5～11］，如式(1)所示。

在高溫條件下，合金變形過(guò)程積累的塑性應(yīng)變?chǔ)乓彩且粋€(gè)不可忽略的重要變量［12～14］。由于式(1)中不包含應(yīng)變對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的影響，直接采用該公式將會(huì)引起較大誤差，因此在本構(gòu)方程中將引入等效應(yīng)變，可以表示為

式(2)中:表示公式(1)，其中α，n，A和Q等材料常數(shù)將視為應(yīng)變量ε的函數(shù)，通過(guò)對(duì)不同應(yīng)變量下的材料常數(shù)進(jìn)行回歸擬合，建立改進(jìn)的TA7鈦合金的本構(gòu)方程。

3.2材料參數(shù)的確定

當(dāng)ασ＜0.8時(shí)，合金處于低應(yīng)力水平條件下，流變應(yīng)力σ和應(yīng)變速率可以表示為指數(shù)關(guān)系:

當(dāng)ασ＞1.2時(shí)，合金處于高應(yīng)力水平條件下，流變應(yīng)力σ和應(yīng)變速率之間接近冪指數(shù)關(guān)系:

α，n1和β滿(mǎn)足如下關(guān)系:

式(3)和式(4)兩邊取對(duì)數(shù)后可得:

由公式(6)和式(7)，n1和β分別為ln-Inσ和ln-σ曲線(xiàn)的斜率。取不同真應(yīng)變?chǔ)偶皩?duì)應(yīng)流動(dòng)應(yīng)力σ，分別作ln-lnσ關(guān)系曲線(xiàn)(圖2)和ln-σ關(guān)系曲線(xiàn)(圖3)，并用最小二乘法線(xiàn)性回歸求得所取應(yīng)變量下的n1和β，進(jìn)而根據(jù)式(5)確定不同真應(yīng)變?chǔ)畔碌摩林怠?/p>

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，可得:

對(duì)(8)求偏微分可得熱變形激活能Q為:

圖4 不同應(yīng)變條件下TA7鈦合金ln和ln sinh(ασ)關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relationships between and of TA7 titanium alloy at different true strain (a)0.1;(b)0.15;(c)0.3;(d)0.45;(e)0.65

將求得的材料參數(shù)值代入式(1)，整理后得到TA7鈦合金的本構(gòu)方程:

圖7為不同應(yīng)變速率和溫度下計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，其中實(shí)線(xiàn)為實(shí)驗(yàn)值，虛線(xiàn)為計(jì)算值?？梢钥吹絻烧呦鄬?duì)誤差較小，這說(shuō)明所建立的本構(gòu)方程具有良好的預(yù)測(cè)能力。

4 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)條件下，變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)TA7鈦合金的流變應(yīng)力影響強(qiáng)烈，隨變形溫度升高和變形速率的降低，相同變形程度下合金的流變應(yīng)力顯著降低，并且在較低的應(yīng)變下合金即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)流變狀態(tài)。

(2)建立了包含應(yīng)變量因素的TA7鈦合金高溫變形本構(gòu)方程，較好地反映了合金在熱變形過(guò)程中流變應(yīng)力的變化規(guī)律。

圖5 不同應(yīng)變條件下TA7鈦合金ln sinh(ασ)和1/T關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relationships between and 1/T of TA7 titanium alloy at different true strain (a)0.1;(b)0.15;(c)0.3;(d)0.45;(e)0.65

圖6 材料參數(shù)和應(yīng)變量的關(guān)系Fig.6 Relationships between material parameters and strain (a)α;(b)n;(c)ln A;(d)Q

圖7 不同應(yīng)變速率和溫度下本構(gòu)關(guān)系模型預(yù)測(cè)的流變應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.7 Comparison between experimental and predicted flow stress from constitutive equation at different strain rates and temperatures(a)800℃;(b)850℃;(c)900℃;(d)1000℃

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Plastic Deformation Behavior of TA7 Titanium Alloy

DONG Yun-peng，YU Qiu-ying，F(xiàn)ANG Shuang，WANG Shu-yun，WANG Chao-yuan，SONG Xiao-jun
(Laboratory of Welding and Forging，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

The flow stress of TA7 titanium alloy was investigated by isothermal hot compression in the temperature range of850-1000℃and strain rate of0.001-0.1s－1.The constitutive equation for describing the plastic deformation behavior ofthe TA7 titanium alloy during hot compression process was deduced.The results show that the flow stress of the TA7 titanium alloy is greatly affected by temperature and strain rate.With the increase of the temperature and decrease of the strain rate，the flow stress of the TA7 titanium alloy decreases greatly，and the plastic deformation get into the steady-going condition state immediately under the condition of low flow stress.

TA7;titanium alloy;flow stress;constitutive equation

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.1.003

TG146.2+3

A

1005-5053(2015)01-0013-07

2014-05-20;

2014-07-08

東赟鵬(1979—)，男，碩士，工程師，從事鈦合金、鋁合金、高溫合金鍛造成形工藝研究，(E-mail)dong_yunpeng @163.com。