熱力參數(shù)對TC16鈦合金應(yīng)力應(yīng)變及變形組織的影響

【摘要】在Thermecmater-Z熱加工模擬實驗機上對TC16鈦合金進行熱態(tài)壓縮實驗，變形溫度和應(yīng)變速率范圍分別為700℃～950℃和1s-1和5s-1。根據(jù)壓縮實驗結(jié)果，繪制出了不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，并分析了變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度對TC16鈦合金變形組織的影響。

【關(guān)鍵詞】TC16鈦合金；流變應(yīng)力；變形組織

引言

TC16鈦合金是一種馬氏體型α+β兩相鈦合金，含有穩(wěn)定的α穩(wěn)定元素Al和同晶β穩(wěn)定元素Mo和V。TC16鈦合金具有較高的強度、塑性，良好的抗疲勞、焊接等性能，廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域的緊固用構(gòu)件。對于強度要求較高的TC16鈦合金緊固構(gòu)件，一般需要進行熱加工，而熱加工參數(shù)的選擇對合金的成形性能及顯微組織有著重要的影響。因此本文主要研究TC16鈦合金在不同變形溫度和變形量下，顯微組織的變化情況，可為相關(guān)熱加工工藝提供理論參考。

1實驗材料和方法

實驗材料為TC16鈦合金，該合金的α+β→β轉(zhuǎn)變溫度（β相變點）為860±20℃。將TC16鈦合金加工成Φ8mm×12mm圓柱體試樣，熱模擬壓縮實驗在Thermecmater-Z型熱加工模擬實驗機上進行，試樣兩端刻有0.2mm深的凹槽，用來儲存玻璃粉潤滑劑以減少磨擦。實驗采用真空感應(yīng)加熱，升溫速率為10℃/s，加熱至設(shè)定溫度后保溫210s，壓縮變形后采用氦氣快速冷卻至室溫。高溫壓縮實驗方案如下：變形溫度：700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃；變形量：40%；應(yīng)變速率為1s-1和5s-1。

2實驗結(jié)果與討論

2.1應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

圖1為TC16鈦合金在不同溫度和應(yīng)變速率壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當變形溫度一定時，應(yīng)變速率越高，流動應(yīng)力越大。當溫度在700℃～850℃之間時，在所有應(yīng)變速率下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本上為應(yīng)變軟化型，也就是說，流動應(yīng)力在較小的應(yīng)變下（<0.05）達到峰值后隨應(yīng)變的繼續(xù)增加而下降，下降的趨勢逐漸平緩，最后在某個應(yīng)變附近趨于一定值這是因為在變形的初始階段，可能是由于大量可動位錯從晶界突然增殖，導(dǎo)致變形從晶界向晶內(nèi)擴展引起的，而隨后的穩(wěn)態(tài)流動則表明位錯增殖引起的應(yīng)變硬化和位錯的相互銷毀及重排引起的軟化之間達到動態(tài)平衡。當溫度大于和等于850℃時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為穩(wěn)態(tài)流動型。

（a）應(yīng)變速率為1s-1

（b）應(yīng)變速率為5s-1

圖1TC16合金在不同應(yīng)變速率及溫度變形下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2熱力參數(shù)對TC16鈦合金變形組織的影響

如圖2所示，可知，在溫度750℃變形時，在較低變形速率1s-1下，變形時間長，α與β之間的相界模糊不清，與應(yīng)變速率較高的5s-1相比，α相晶粒的體積分數(shù)含量較高，α+β相分布較均勻，但是總體來看區(qū)別不是很大。在850℃時動態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)開始，等軸狀的動態(tài)再結(jié)晶組織在β晶界處產(chǎn)生，兩應(yīng)變速率對變形組織相變的影響主要表現(xiàn)在高應(yīng)變速率時較均勻圍繞著β原始晶粒周圍的動態(tài)再結(jié)晶晶粒組織，動態(tài)再結(jié)晶程度較高。在β相變點以上的950℃時，變形組織均為β相，且β晶粒發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶。從兩個溫度的不同應(yīng)變速率下的組織相比較，應(yīng)變速率較高的β晶粒中所含板條馬氏體的量較低應(yīng)變速率下的高且細。但高的應(yīng)變速率會影響動態(tài)再結(jié)晶晶粒的尺寸，變形速率越高動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸越小。（a）750℃，1s-1（b）850℃，1s-1

（c）950℃，1s-1（d）750℃，5s-1

（e）850℃，5s-1（f）850℃，5s-1

圖2不同變形溫度及不同應(yīng)變速率下的TC16鈦合金變形組織

3結(jié)論

（1）TC16鈦合金在高溫壓縮變形時流動應(yīng)力在較小的應(yīng)變下（<0.05）達到峰值后隨應(yīng)變的繼續(xù)增加而下降，下降的趨勢逐漸平緩，最后在某個應(yīng)變附近趨于一定值，并當壓縮應(yīng)變超過一定值時，真應(yīng)力并不隨應(yīng)變量的繼續(xù)增大而發(fā)生明顯變化；

（2）TC16鈦合金在變形溫度達到850℃時，可以觀察到合金發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸隨變形溫度的增加而增大，隨應(yīng)變速率的增大而減小。

參考文獻：

[1]李明怡.航空用鈦合金結(jié)構(gòu)材料[J].世界有色金屬，2000，（6）：17-20

[2]劉全明，張朝輝，劉世鋒，等.航空緊固件用鈦合金TC16研究與發(fā)展[J].熱加工工藝，2014，43（4）：17-19

[3]李永兵，郭艷偉，喬家英，等.退火工藝對TC16鈦合金組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2015，40（5）：66-68

[4]楊洋，董利民，關(guān)少軒，等.冷鐓和熱鐓對TC16合金組織和性能的影響[J]中國有色金屬學(xué)報，2010，20（s1）：107-112

[5]吳崇周.熱鐓對TC16鈦合金組織和性能的影響[J].宇航材料工藝，2007，（3）：61-64

[6]樊江昆，寇宏超，唐斌，等.Ti-7333合金β鍛動態(tài)再結(jié)晶行為[J].科技導(dǎo)報，2013，31（5-6）：44-48

基金項目：

2016年度浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題“TC16鈦合金熱變形微觀組織演變研究”（項目編號：16ZR006）。

作者簡介：

余新平，男，碩士，主要從事金屬強韌化技術(shù)及仿真模擬研究。