劉 勇，朱景川，陳 濤

(哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院，哈爾濱150001)

鈦合金具有高的比強度、比剛度和優(yōu)異的高低溫性能，廣泛應用于航空、航天和化工等領域。但鈦合金彈性模量低，變形回彈大，因此熱校形是鈦合金重要的成形工序。應力松弛是熱校形行為的基礎，精密的熱校形工藝技術(shù)基于鈦合金應力松弛行為的研究。但關于TC18鈦合金的應力松弛行為研究，還未見諸報道。TC18鈦合金是一種近β型鈦合金，具有較高的強度和優(yōu)良的塑性，室溫屈服強度可達1 100MPa，同時保持較高的伸長率，廣泛應用于飛機起落架等航空結(jié)構(gòu)件［1－8］。為保證TC18合金精確塑性成形行為，有必要進行該合金的應力松弛行為研究。

鑒于此，本文研究了退火態(tài)TC18鈦合金的應力松弛行為，考察了初應力對合金應力松弛行為的影響，并得到相關的應力松弛行為本構(gòu)方程，以期為TC18熱校形工藝設計提供理論指導。

1 試驗材料和方法

本試驗選用寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)提供的Φ100mm的TC18鈦合金棒材，熱軋態(tài)。成分如表1所示。

表1 TC18鈦合金成分 (wt%)

采用GB/T 10120《金屬材料應力松弛試驗方法》進行應力松弛試驗，試樣采用高溫環(huán)狀等距彎曲應力松弛試樣。其尺寸如圖1所示。退火態(tài)應力松弛試驗中施加的初始應力如表2所示。

表2 退火態(tài)應力松弛試驗施加的初始應力

TC18合金退火試樣的金相組織如2所示，為雙態(tài)組織，初生等軸α相均勻分布在β轉(zhuǎn)基體上。

圖1 應力松弛試樣尺寸圖

圖2 TC18鈦合金典型熱處理組織

2 試驗結(jié)果

2.1 TC18退火態(tài)應力松弛行為的研究

將經(jīng)過退火的TC18合金試樣在500、600、650和700℃進行應力松弛試驗，初始應力為286.44MPa，得到的剩余應力－時間曲線如圖3所示。

圖3 去應力退火態(tài)應力松弛試驗曲線

從圖3可知，應力松弛曲線可以看出應力松弛行為分為明顯的兩個階段:第一階段應力松弛速度較快，第二階段松弛速度較慢，最后趨于一定值，即應力松弛極限σ∞。各個溫度下達到應力松弛極限的時間及應力松弛極限的大小如表3所示?？梢姡瑴囟葘λ沙谛袨橛绊懛浅ｏ@著，低溫應力松弛慢，高溫應力松弛快;同時溫度較低時應力松弛極限σ∞也低，高溫應力松弛時則σ∞高。

表3 退火態(tài)應力松弛達到σ∞時間及σ∞大小

從達到應力松弛極限所需的時間與溫度的關系可以看出，500℃到700℃的溫度間隔只有200℃，但達到松弛極限的時間卻相差較大，說明TC18的應力松弛行為對溫度非常敏感?？紤]達到應力松弛極限時間，500℃和600℃需要時間太長，而700℃時間較短，650℃需要3h左右，在工業(yè)生產(chǎn)中應用較為適宜。而且650℃應力松弛極限較低，為4.05MPa。因此，宜選取650℃作為熱校形的溫度。

2.2 初應力對TC18鈦合金應力松弛行為的影響

根據(jù)應力松弛的一般理論，初應力對應力松弛行為具有一定影響。在650℃下選取不同的初應力進行應力松弛試驗，得到的剩余應力－時間曲線如圖4所示。

圖4 TC18鈦合金650℃不同初應力下的σ－t曲線

由圖4可知，在135.22MPa和180.21MPa的初應力條件下，應力松弛極限σ∞均為4MPa左右，即σ∞的大小與初始應力無關，只與應力松弛試驗的溫度有關。初應力只影響應力松弛行為的松弛速率。初應力越高，松弛越快。隨著時間的增加，不同初始應力下的剩余應力趨近于相同值。

假設同一溫度下不同初始應力為σ01和σ02，此溫度下的應力松弛極限為σ∞，兩者在同一時刻的瞬時應力分別為σ1和σ2，則有如下規(guī)律:

試驗得到的相關數(shù)據(jù)如表4所示。從表4可知，在應力松弛前期階段，不同初應力下的能較好地滿足式(1)，過了前期階段后略微有所偏差。這與理論分析是相符的。

表4 650℃不同初始應力下的剩余應力與松弛時間的關系

2.3 應力松弛本構(gòu)方程的建立

記

為應力殘留率。σ為某一瞬間應力，σ∞為應力松弛極限，σ0為初始應力，650℃時應力殘留率隨時間變化如表5所示。由應力松弛行為特點可知應力殘留率ψ只與溫度和時間有關，溫度一定時，ψ為時間的函數(shù)，其表征了應力松弛的動力學過程。

表5 650℃下應力殘留率ψ與t的關系

應力殘留率滿足Maxwell方程，故可用Maxwell方程進行擬合［1，2］。其表達式為:

650℃應力松弛擬合得到的結(jié)果如圖5所示。其中擬合得到的參數(shù) 值 為:A=1.0334，τ=4.9057，由圖5可知，擬合效果較好，大部分點都在擬合曲線上，相關系數(shù)R=0.988。

圖5 650℃應力殘留率與時間擬合

結(jié)合公式(2)，得到退火態(tài)TC18鈦合金應力松弛本構(gòu)方程的一般形式:

式(4)表征了650℃時應力松弛過程中瞬時剩余應力與時間及初應力的關系，此方程滿足Maxwell粘彈性方程的形式。又650℃時σ∞=4.05MPa，得到去應力退火態(tài)TC18鈦合金650℃時的應力松弛本構(gòu)方程為:

在應力松弛過程中，總應變保持不變，即:

由于在應力松弛過程中，彈性應變要不斷轉(zhuǎn)化為塑性應變，同時保持總應變不變［1，2］，因此有:

代入式(4)，可得:

若以秒為單位，對650℃應力松弛行為數(shù)據(jù)進行處理，則式(10)中，τ=4.9057×60=294.342，E=79800MPa，σ∞=4.05MPa。即為650℃時蠕變塑性應變與瞬時剩余應力的本構(gòu)方程，如式(11)所示。該方程在制定精密熱校形技術(shù)具有重要的應用。

3 結(jié)論

(1)應力松弛行為分為明顯的兩個階段:第一階段應力松弛速度較快，第二階段松弛速度較慢，最后趨于一定值，存在應力松弛極限。

(2)應力松弛行為受應力松弛溫度和初應力的影響。，低溫應力松弛慢，高溫應力松弛快;同時溫度較低時應力松弛極限σ∞也低，高溫應力松弛時則σ∞高;σ∞的大小與初始應力無關，只與應力松弛試驗的溫度有關。初應力只影響應力松弛試驗開始時的松弛速率;初應力越高，松弛越快。。

(3)根據(jù)達到應力松弛極限的時間及應力松弛極限的大小，初步選定650℃作為熱校形的溫度，采用MAXWELL方程擬合得到其剩余應力與時間的關系為:σ=4.05+(σ0－4.05，其中A=1.0334，τ=4.9057。在此基礎上得到TC18鈦合金蠕變塑性應變與瞬時剩余應力的本構(gòu)方程。

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