TC18合金熱壓縮變形行為研究

劉 勇，陳 濤，朱景川，周 易，周 飛

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，150001)

TC18鈦合金是一種近β型鈦合金，具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性，室溫屈服強(qiáng)度可達(dá)1 100 MPa，同時(shí)保持較高的伸長(zhǎng)率，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架等航空結(jié)構(gòu)件。關(guān)于TC18鈦合金的組織、性能和熱處理工藝方面等已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究［1-4］。關(guān)于TC18鈦合金的熱變形行為，是合金進(jìn)行熱加工的理論基礎(chǔ)。但關(guān)于此的研究并沒有深入進(jìn)行。鑒于此，本文展開來TC18合金熱壓縮行為的研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

本試驗(yàn)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 /%

采用GLEEBLE1500D型熱模擬機(jī)進(jìn)行熱壓縮試驗(yàn)。利用線切割加工出直徑為8mm，長(zhǎng)12mm的小圓柱，加工時(shí)注意保證圓柱兩端面的平行度和圓度。試驗(yàn)前用砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨，除掉線切割的痕跡并使表面光滑。根據(jù)TC18鈦合金的相變點(diǎn)875℃，設(shè)計(jì)了32組熱壓縮實(shí)驗(yàn)。包含8個(gè)溫度，每個(gè)溫度下有4個(gè)應(yīng)變速率。試驗(yàn)溫度分別為:650℃，700℃，750℃，810℃，850℃，900℃，950℃，1 000℃;應(yīng)變速率分別為:1s-1，0.1s-1，0.01s-1，0.001s-1。TC18鈦合金的金相組織照片如圖1所示。從圖中可以看出，TC18鈦合金金相組織主要由α+β兩相組成，β相均勻分布在α相的基體上。

圖1 TC18鈦合金原始樣金相

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 TC18合金流變行為

圖2所示為試驗(yàn)得到的雙相區(qū)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，TC18合金對(duì)溫度和應(yīng)變速率非常敏感。650℃變形時(shí)，應(yīng)變速率為0.001s-1時(shí)，開始階段由于加工硬化占優(yōu)勢(shì)，流變應(yīng)力呈現(xiàn)迅速上升的現(xiàn)象，而后由于再結(jié)晶和回復(fù)的作用使軟化作用加強(qiáng)，流變曲線上出現(xiàn)峰值并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。應(yīng)變速度由1降到0.001s-1時(shí)，峰值流變應(yīng)力由400MPa降低到低于100MPa。而在應(yīng)變速率為1s-1時(shí)，變形溫度由650℃提高到850℃，峰值流變應(yīng)力由400MPa下降到200MPa。同時(shí)在較低溫度和較高應(yīng)變速率條件下流變曲線呈現(xiàn)典型的單一峰值的再結(jié)晶的特征。隨變形溫度的提高和變形速率的降低，加工硬化的趨勢(shì)減弱，單一峰值的再結(jié)晶特征也不斷減弱。在變形溫度高于750℃時(shí)，流變曲線出現(xiàn)“抖動(dòng)”的現(xiàn)象，出現(xiàn)多峰值的再結(jié)晶的特征。

試驗(yàn)得到的β單相區(qū)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3所示?？梢钥闯?，TC18合金對(duì)溫度和應(yīng)變速率非常敏感性減弱。同時(shí)流變曲線出現(xiàn)了很長(zhǎng)階段的平緩階段，而后在較大應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)了標(biāo)志再結(jié)晶的峰值應(yīng)力。這說明在β單相區(qū)熱變形時(shí)先出現(xiàn)長(zhǎng)階段的回復(fù)，在回復(fù)的基礎(chǔ)上大應(yīng)變條件才導(dǎo)致了再結(jié)晶的產(chǎn)生。同時(shí)在應(yīng)變速率為1S-1時(shí)，流變曲線出現(xiàn)的“抖動(dòng)”現(xiàn)象，這是由于應(yīng)變速率較高，加工變形導(dǎo)致的硬化和回復(fù)導(dǎo)致的軟化現(xiàn)象交替出現(xiàn)而產(chǎn)生。

2.2 TC18鈦合金熱變形激活能的計(jì)算

目前在鈦合金熱變形特性的研究中，通常采用由Jonas提出的包含應(yīng)變激活能Q和變形溫度T的雙曲線正弦形式的流變應(yīng)力模型［5，6］，

式中˙ε——應(yīng)變速率;

σ*——穩(wěn)態(tài)流變時(shí)的峰值應(yīng)力;

A1、β——相關(guān)常數(shù);

Q——變形激活能;

R——?dú)怏w常數(shù);

T——熱力學(xué)溫度。

在650℃、700℃、750℃和800℃時(shí)，ln˙ε-σ*曲線擬合的相關(guān)系數(shù)為0.979、0.962、0.997、曲線的相關(guān)系數(shù)為0.999、0.996、0.987、0.965，擬合效果較好。兩邊取對(duì)數(shù)，進(jìn)行多元線性回歸，經(jīng)過整理，可得在650℃-810℃的雙相區(qū)，峰值流變應(yīng)力的方程為:

計(jì)算得，應(yīng)變激活能Q=336.356kJ/mol。

在β單相區(qū)，屬于低應(yīng)力水平，可以用下式描述:

σ*——穩(wěn)態(tài)流變時(shí)的峰值應(yīng)力;

A1——相關(guān)常數(shù);

Q——變形激活能;

R——?dú)怏w常數(shù);

兩邊取對(duì)數(shù)，則有:

因此，在T不變時(shí)，ln˙ε-lnσ*應(yīng)為直線關(guān)系;在應(yīng)變速率不變時(shí)也應(yīng)為直線關(guān)系。如圖5所示。

圖2 TC18鈦合金熱壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

對(duì)峰值流變應(yīng)力進(jìn)行線性回歸整理，可得在單相區(qū)的峰值流變應(yīng)力本構(gòu)方程為:

進(jìn)一步處理可得:單相區(qū)的應(yīng)變激活能為:Q=260.84kJ/mol，小于雙相區(qū)的應(yīng)變激活能Q=336.356kJ/mol。這是符合預(yù)期的。因?yàn)閱蜗鄥^(qū)主要是β相存在，β相是體心立方結(jié)構(gòu)，易于變形，因此應(yīng)變激活能要小。

2.3 TC18鈦合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程

根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論，變形抗力與加熱溫度、變形速率、變形量存在如下關(guān)系［5，6］:

兩邊取對(duì)數(shù)，可得:

圖6給出了50、700、750和800℃不同溫度下lnσ與曲線。

擬合結(jié)果表明，最小的關(guān)系系數(shù)也達(dá)到了0.95。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，經(jīng)過多元線性回歸并整理后，可得TC18鈦合金在650℃～810℃間的變形抗力方程為:

圖3 TC18鈦合金熱壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

圖4 兩相區(qū)變形本構(gòu)方程擬合

圖5 單相區(qū)流變應(yīng)力擬合

圖6 變形抗力擬合

關(guān)系系數(shù)R=0.958，達(dá)到較好的擬合效果。同雙相區(qū)類似，可得單相區(qū)的變形抗力方程:

3 結(jié)語

(1)TC18鈦合金在α+β雙相區(qū)變形時(shí)，在較低溫度和較高應(yīng)變速率條件下流變曲線呈現(xiàn)典型的單一峰值的再結(jié)晶，并且隨變形溫度的提高，出現(xiàn)多峰值的再結(jié)晶的特征。

(2)TC18鈦合金在β單相區(qū)變形時(shí)，流變曲線出現(xiàn)了很長(zhǎng)階段的平緩階段，而后在較大應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)了標(biāo)志再結(jié)晶的峰值應(yīng)力，說明在β單相區(qū)熱變形時(shí)先出現(xiàn)長(zhǎng)階段的回復(fù)，在回復(fù)的基礎(chǔ)上大應(yīng)變條件才導(dǎo)致了再結(jié)晶的產(chǎn)生。

(3)計(jì)算得到，TC18鈦合金β單相區(qū)的變形激活能為:Q=260.84kJ/mol，α+β雙相區(qū)的應(yīng)變激活能Q=336.356kJ/mol。

(4)經(jīng)過擬合，分別得到TC18鈦合金在α+β雙相區(qū)和β單相區(qū)變形的流變應(yīng)力本構(gòu)方程。

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