楊青云，李 沖，2，呂光輝，韓 廣

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023；2.先進(jìn)鈦及鈦合金材料技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，河南 洛陽 471023）

0 引言

TiB95 合金是一種近α 型鈦合金，通過α 穩(wěn)定元素鋁的固溶強(qiáng)化，并加入少量中性元素鋯以及β穩(wěn)定元素鉬強(qiáng)化合金。TiB95 合金具有中等室溫和高溫強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、石油化工等領(lǐng)域[1-4]。

本研究以TiB95 合金的熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，研究變形工藝參數(shù)對(duì)TiB95 合金高溫變形時(shí)流動(dòng)應(yīng)力的影響，為合理地制定TiB95 合金的熱加工成型工藝提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為φ610mm 的TiB95 鈦合金鑄錠，屬于Al-Mo-Zr-V 系屈服強(qiáng)度800MPa 級(jí)中強(qiáng)高韌鈦合金材料。采用差熱分析法測(cè)得TiB95 鈦合金相變點(diǎn)為980℃。試驗(yàn)設(shè)備型號(hào)為Gleeble 3500，試樣尺寸為?10×15 mm，試樣兩端面加工貯存高溫保護(hù)潤(rùn)滑劑的淺槽，槽深0.2mm，提高試樣與設(shè)備之間的潤(rùn)滑效果。試驗(yàn)的升溫速度為10℃/s，到溫后保溫5min 以消除溫度梯度；壓縮實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)試樣立即采用水淬處理。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動(dòng)采集、計(jì)算和修正，試驗(yàn)結(jié)果以數(shù)據(jù)表格和圖形方式給出。試驗(yàn)的溫度為（℃）：850、900、950、1000、1050；試驗(yàn)的應(yīng)變速率為（s-1）：0.01、0.1、1、10；變形量均為60%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)TiB95 合金高溫壓縮變形時(shí)流動(dòng)應(yīng)力的影響如圖1 所示。由圖可知，雖然TiB95 合金的熱壓縮變形參數(shù)不同，但是流變曲線變化趨勢(shì)相似，都具有加工硬化、動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的特征。在相同的應(yīng)變速率下，流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低；而在相同的變形溫度下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的減小而降低。變形開始階段，變形引起大量位錯(cuò)增殖與累積，加工硬化現(xiàn)象顯著，隨著變形的繼續(xù)，流動(dòng)應(yīng)力急劇增加到峰值[5]，此階段加工硬化占主導(dǎo)地位，同時(shí)伴隨位錯(cuò)的攀移、交滑移等形式的動(dòng)態(tài)回復(fù)軟化機(jī)制，動(dòng)態(tài)回復(fù)效果相對(duì)較弱；變形繼續(xù)增加時(shí)，合金無法通過動(dòng)態(tài)回復(fù)消除的位錯(cuò)積累下來，變形到一定程度，引起動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的形核及長(zhǎng)大，有效降低位錯(cuò)密度[6]，從而使流動(dòng)應(yīng)力出現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)的進(jìn)行，同時(shí)加工硬化效果逐漸減弱，當(dāng)動(dòng)態(tài)軟化效果與加工硬化階段位錯(cuò)相抵消時(shí)，材料出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)趨勢(shì)[7]。

圖1 不同應(yīng)變速率下TiB95 合金熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.2 熱變形流變應(yīng)力本構(gòu)方程

金屬的高溫變形是一個(gè)熱激活過程，高溫變形過程取決于溫度和應(yīng)變速率[8]。描述熱變形時(shí)變形溫度T 和應(yīng)變速率ε˙對(duì)流變應(yīng)力的影響，可用雙曲正弦Arrhenius 方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析并建立其本構(gòu)方程[9-10]，即：

式（1）可以根據(jù)較低應(yīng)力水平和較高應(yīng)力水平簡(jiǎn)化式（2）和式（3）[11-12]。

式中：R 為摩爾氣體常數(shù)，取值8.314J/（mol·K）；Q 為高溫形變激活能，J·mol-1；n 為應(yīng)力指數(shù)，并有n=β/α；A、A1、A2、n1、β 為與材料有關(guān)的常數(shù)。

不同變形條件下等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)得到的流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以用于確定本構(gòu)關(guān)系中的材料常數(shù)，下面以峰值應(yīng)力為例求解本構(gòu)關(guān)系中的材料常數(shù)和本構(gòu)方程。TiB95 合金在不同變形條件下的峰值應(yīng)力如表1 所示。

表1 合金在850-1050℃區(qū)間不同熱變形條件下的峰值應(yīng)力（σp/MPa）

根據(jù)本構(gòu)方程模型，求解與TiB95 合金合金相關(guān)的參數(shù)n、β、α。對(duì)式（2）和式（3）兩邊取對(duì)數(shù)并整理得

圖2 是ε˙=0.01～10s-1的范圍內(nèi)，用不同溫度下TiB95 合金的峰值應(yīng)力分別繪制的lnε˙～σ、lnε˙～lnσ的變化關(guān)系圖，然后利用origin 數(shù)據(jù)處理軟件分別對(duì)圖中各組數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性回歸處理，以求得其斜率，如圖2a、2b 所示。

圖2a 對(duì)數(shù)應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系、對(duì)數(shù)應(yīng)變速率與對(duì)數(shù)應(yīng)力的關(guān)系滿足近似線性關(guān)系；根據(jù)式（4），取圖2a 中高應(yīng)力狀態(tài)下，850～950℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得β 值：β=0.0481；根據(jù)式（5），取圖2b 中低應(yīng)力狀態(tài)下，950～1050℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得n1值：n1=5.07；所以α=β/n1=0.0095。

圖2 不同條件下ln～σ、lnσ～ln的變化關(guān)系圖

假定形變激活能Q 與溫度無關(guān)，對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，可得到

并對(duì)式（6）求偏微分可得變形激活能

繪制不同條件下，lnε˙～ln[sinh（ασ）]與ln[sinh（ασ）]～1000/T 的關(guān)系曲線，如圖3 所示。對(duì)圖3 中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸計(jì)算其斜率，即可獲得n=4.418 和s=19.702 值。

圖3 lnε～～ln[sinh（ασ）]與ln[sinh（ασ）]～1000/T 的關(guān)系曲線

則形變激活能Q：

變形溫度和變形速率對(duì)材料熱變形的影響可以用溫度補(bǔ)償變形速率因子Zener-Hollomom 參數(shù)（簡(jiǎn)稱Z）來描述：

對(duì)式（8）取對(duì)數(shù)得到：

繪制sinh（ασ）及其對(duì)應(yīng)的lnZ 的值的關(guān)系圖并進(jìn)行線性擬合，如圖4 所示。根據(jù)其截距可得lnA=69.68，則A=1.827×1030。

圖4 lnZ～sinh（ασ）的關(guān)系圖

將求得的α、Q、n、A 的數(shù)值帶入式（1）即可得到TiB95 合金的峰值流變應(yīng)力本構(gòu)方程：

2.3 本構(gòu)關(guān)系的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本構(gòu)方程的準(zhǔn)確性，利用本試驗(yàn)計(jì)算得到的本構(gòu)方程，將計(jì)算不同試驗(yàn)條件下的流變應(yīng)力峰值與熱壓縮試驗(yàn)得到的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，峰值應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差不超過8%，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好。

圖5 本構(gòu)方程計(jì)算數(shù)值與試驗(yàn)值對(duì)比

3 結(jié)論

（1）TiB95 合金的高溫?zé)釅嚎s流變應(yīng)力受變形溫度和變形速率的影響。在變形溫度為850℃～1050℃，應(yīng)變速率為0.01～10s-1范圍內(nèi)：在相同的應(yīng)變速率下，流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低；而在相同的變形溫度下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的減小而降低。

（2）TiB95 合金的熱變形行為受熱激活過程控制，其變形激活能Q 為723.679kJ/mol。TiB95 合金的熱變形本構(gòu)方程為：