Ti3Al基合金α2+β兩相區(qū)高溫變形行為及本構(gòu)模型研究

程靜 王克魯

Research on High Temperature Deformation Behavior and Constitutive Model of Ti3Al Based Alloy in α2+β Dual-Phase Field

CHENG Jing1， WANG Ke-lu2

（1.China Helicopter Design Institute， Jingdezhen 333001， China;

2.School of Aeronautical Manufacturing Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， China）

【摘? 要】論文利用Thermecmaster-Z熱模擬機(jī)對(duì)Ti3Al基合金進(jìn)行變形溫度為950～1 100°C、應(yīng)變速率為0.01～1 s-1的等溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)，分析了該合金在α2+β兩相區(qū)的高溫變形行為及微觀組織演變規(guī)律。結(jié)果表明，Ti3Al基合金的流動(dòng)應(yīng)力隨變形溫度的降低而增大，隨應(yīng)變速率的降低而減小，得出該合金變形激活能為707.64? kJ/mol，構(gòu)建了基于Zener-Hollomon參數(shù)的雙曲正弦本構(gòu)方程，該本構(gòu)模型的相關(guān)系數(shù)R和平均相對(duì)誤差E分別為0.961 9和0.135 4，表明其對(duì)高溫變形行為的預(yù)測(cè)與Ti3Al基合金實(shí)際的高溫變形行為吻合良好，研究結(jié)果可為Ti3Al基合金的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

【Abstract】The paper analyzes the high temperature deformation behavior and microstructure evolution law of Ti3Al based alloy in the α2+β dual-phase field by conducting isothermal constant strain rate compression test at deformation temperatures from 950°C to 1 100°C and strain rate from 0.01 s-1 to 1 s-1 using Thermecmaster-Z thermal simulator. The results show that the flow stress of Ti3Al based alloy increases with the decrease of deformation temperature and decreases with the decrease of strain rate. The deformation activation energy of the alloy is 707.64 kJ/mol. The paper constructs a hyperbolic sinusoidal constitutive equation based on the Zener-Hollomon parameters. The correlation coefficient R and the average relative error E of this constitutive model are 0.961 9 and 0.135 4 respectively， indicating that its prediction of the high temperature deformation behaviour is in good agreement with the actual high temperature deformation behaviour of Ti3Al based alloy， and the results of the study can provide a theoretical basis for the practical production of Ti3Al based alloy.

【關(guān)鍵詞】Ti3Al基合金;熱變形行為;本構(gòu)方程

【Keywords】Ti3Al based alloy; thermal deformation behavior; constitutive equation

【中圖分類號(hào)】TG146.2+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2022）03-0184-03

1 引言

Ti3Al基合金普遍具有低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、良好的氧化抗力及蠕變抗力等優(yōu)異的綜合性能，是航空研究與應(yīng)用的重點(diǎn)材料之一[1]。與鎳基合金相比，其密度約為鎳基合金的一半，具有使航空設(shè)備、裝置等重量減輕的優(yōu)良作用;與陶瓷材料相比，Ti3Al基合金在高溫下的塑性更好。因此，該合金具有良好的開發(fā)和應(yīng)用前景[2]。基于此，本文以Ti3Al基合金為研究對(duì)象，開展高溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)，并分析Ti3Al基合金在變形過(guò)程中的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的特點(diǎn)及變形條件對(duì)微觀組織的影響規(guī)律。通過(guò)構(gòu)建該合金基于Zener-Hollomon參數(shù)的Arrhennius型本構(gòu)方程，利用一元線性回歸方法擬合雙曲正弦本構(gòu)模型的參數(shù)，通過(guò)對(duì)比實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的適用性。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為Ti3Al基合金，其名義成分為Ti-24Al-15Nb（原子百分比）。該合金的α2+β→β相變溫度約1 100°C，原始組織為α2+β+O混合組織，如圖1所示。壓縮試樣為?8 mm×12 mm的圓柱體，采用Thermecmaster-Z型熱模擬機(jī)進(jìn)行等溫恒應(yīng)變速率壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案為：變形溫度為950°C、1 000°C、1 050°C和1 110°C;應(yīng)變速率為0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1和1.0 s-1;高度壓下率均為70%，其對(duì)應(yīng)的真應(yīng)變約1.2，以10°C/s的速度將試樣加熱至變形溫度后保溫300 s，以使溫度均勻。壓縮結(jié)束后立即噴水冷卻至室溫。在壓縮過(guò)程中，設(shè)備自動(dòng)記錄真應(yīng)力-真應(yīng)變數(shù)據(jù)。

將熱壓縮后的試樣，首先沿軸線位置對(duì)半剖開，采用XQ-1型鑲嵌機(jī)鑲嵌出大約?22 mm的圓柱體試樣，然后用砂紙打磨、拋光、腐蝕處理，最后在XJP-6A型金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察并得到顯微圖片。腐蝕劑的體積配比為：7%HF+10%HNO3+83%H2O。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的特性

圖2為Ti3Al基合金在變形溫度為950～1 100°C、應(yīng)變速率為0.001 s-1與1.0 s-1條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。從圖2可以看出，變形的初始時(shí)期，真應(yīng)力隨真應(yīng)變的增加迅速上升;達(dá)到峰值后，真應(yīng)力開始緩慢下降。當(dāng)真應(yīng)變達(dá)到一定值后，隨真應(yīng)變的繼續(xù)增加，多數(shù)變形條件下的真應(yīng)力變化不大。在同一應(yīng)變速率下，真應(yīng)力隨變形溫度的提高而降低;變形溫度為950℃時(shí)，應(yīng)變速率為0.001～1 s-1的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力也隨之增大，因此，在變形溫度一定時(shí)，真應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增大，表明該材料是正應(yīng)變速率敏感材料[3]。

在變形溫度為1 100°C、應(yīng)變速率為0.001 s-1與1.0 s-1條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線總體上呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性，其余則呈軟化現(xiàn)象。發(fā)生流動(dòng)軟化的原因主要為：當(dāng)變形溫度較低、應(yīng)變速率較高時(shí)，金屬的形變儲(chǔ)能有所提高，材料的溫度效應(yīng)也會(huì)隨之增大，因此，金屬內(nèi)部的溫度升高，而溫度升高會(huì)使流動(dòng)應(yīng)力降低[4，5]。

3.2 顯微組織分析

圖3a與3b為變形溫度950°C、應(yīng)變速率為0.001 s-1與1.0 s-1條件下的微觀組織。隨著應(yīng)變速率的變化，α2相的含量變化不是很大，但其尺寸和形貌發(fā)生了明顯的變化，有明顯的局部塑性流動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)變速率較低時(shí)，初生α2相尺寸發(fā)生一定程度的增大。這是因?yàn)楹辖鹨暂^低的應(yīng)變速率變形時(shí)，達(dá)到同樣的變形量需要的時(shí)間較長(zhǎng)，相界有比較充分的時(shí)間進(jìn)行遷移，因此，初生α2相晶粒尺寸明顯增大[6]。

4 本構(gòu)關(guān)系模型的建立與驗(yàn)證

4.1 建立本構(gòu)模型

對(duì)于不同的材料來(lái)說(shuō)，反映材料動(dòng)態(tài)特性的本構(gòu)關(guān)系相差很大，流動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變速率和變形溫度之間的關(guān)系函數(shù)可用Zener和Hollomon提出的Z參數(shù)[7]（溫度補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變速率因子）來(lái)優(yōu)化Arrhenius型方程描述[8-10]，該方程有3種表示形式：

當(dāng)變形溫度T恒定時(shí)，由式（8）和圖4c結(jié)合可得n2=2.812;當(dāng)應(yīng)變速率恒定時(shí)，由式（9）結(jié)合圖4d的線性關(guān)系可得，k=30 269.68。

當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.05（峰值應(yīng)力）時(shí)，變形激活能Q=707.646 kJ/mol，經(jīng)Z參數(shù)優(yōu)化后n2為2.663，其截距l(xiāng)nA3為60.671。通過(guò)計(jì)算可得Ti3Al基合金在應(yīng)變?yōu)?.05時(shí)的Arrhenius本構(gòu)方程為：

采用Zener-Hollomon參數(shù)可表達(dá)出材料在塑性變形時(shí)變形溫度與應(yīng)變速率之間的關(guān)系表達(dá)式[14，15]，并將激活能Q值代入，如式（12）所示：

根據(jù)雙曲正弦函數(shù)的公式，可以將流動(dòng)應(yīng)力σ表述為Zener-Hollomon參數(shù)Z的函數(shù)[16]：

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（13），得到Z參數(shù)表示的峰值應(yīng)力σ、應(yīng)變速率和溫度T的本構(gòu)關(guān)系式，如下：

4.2 驗(yàn)證本構(gòu)方程

將實(shí)驗(yàn)的變形溫度和應(yīng)變速率代入上述本構(gòu)模型得出預(yù)測(cè)值，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果整理作圖進(jìn)行精確度分析，采用模型相關(guān)系數(shù)R和平均相對(duì)誤差E分析本構(gòu)模型的精確度，其表達(dá)式如下：

式中，C為實(shí)驗(yàn)值;T為預(yù)測(cè)值;N為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目。對(duì)比整理出的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值，并按照式（15）和式（16）計(jì)算，得出結(jié)果如圖5所示，本構(gòu)模型預(yù)測(cè)值最大相對(duì)偏差為13.54%，計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R為0.961 9。其實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值基本一致，即該本構(gòu)模型有較高的精度。

5 結(jié)論

①Ti3Al基合金的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而減小，并得出在不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下，該合金材料都較敏感。當(dāng)溫度較低且應(yīng)變速率較高時(shí)，曲線呈流動(dòng)軟化現(xiàn)象;當(dāng)溫度較高且應(yīng)變速率較低時(shí)，曲線呈穩(wěn)態(tài)流動(dòng)現(xiàn)象。②Ti3Al基合金在高溫變形過(guò)程中，當(dāng)溫度較低、應(yīng)變速率較高時(shí)，α2相晶粒尺寸逐漸減小，當(dāng)溫度較高、應(yīng)變速率較低時(shí)，晶粒被壓扁，β晶界逐漸明顯。③采用雙曲正弦函數(shù)建立適用于Ti3Al基合金的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系方程，計(jì)算出激活能為707.646 kJ/mol，該本構(gòu)方程為：

【參考文獻(xiàn)】

【1】司玉鋒，陳子勇，孟麗華，等.Ti3Al基金屬間化合物的研究進(jìn)展[J].特種鑄造及有色合金，2003（4）：33-35+69.

【2】朱知壽.我國(guó)航空用鈦合金技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].航空材料學(xué)報(bào)，2014，34（4）：44-50.

【3】王方，李維娟.SS400鋼低溫區(qū)流變應(yīng)力的預(yù)測(cè)[J].鞍山科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（4）：248-251.

【4】石尚，董洪波，姜智勇，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的TB17鈦合金熱變形行為研究[J].特種鑄造及有色合金，2019，39（4）：434-438.

【5】劉瑩瑩，姚澤坤.高溫變形參數(shù)對(duì)Ti3Al基合金微觀組織的影響[J].熱加工工藝，2012，41（16）：32-34.

【6】梁培新，翟月雯，劉桂華，等.Ti3Al基合金的熱變形行為及本構(gòu)方程[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2017，24（2）：174-178.

【7】P. Wanjara，Mohammad Jahazi，Hossein Monajati，et al.Hot working behavior of near-α alloy IMI834[J].Materials Science and Engineering A，2005，396（1-2）：50-60.

【8】王恒強(qiáng)，高建新，王兵，等.TC4合金熱變形特性及變形參數(shù)對(duì)組織和性能的影響[J].航空制造技術(shù)，2013（16）：146-149+153.

【9】駱俊廷，陳藝敏，尹宗美，等.TA15鈦合金熱變形應(yīng)力應(yīng)變曲線及本構(gòu)模型[J].稀有金屬材料與工程，2017，46（2）：399-405.

【10】H.J. McQueen.Metal forming： Industrial， mechanical computational and microstructural[J].Journal of Materials Processing Technology，1993，37（s1-4）：3-36.

【11】C.M. Sellars，W.J. McTegart.On the mechanism of hot deformation[J].Acta Metallurgica，1966，14（9）：1136-1138.

【12】Junjie Xiao，D.S. Li，Xiaoqiang Li，et al.Constitutive modeling and microstructure change of Ti-6Al-4V during the hot tensile deformation[J].Journal of Alloys and Compounds，2012，541（11）：346-352.

【13】李積賢，郭勝利，劉生璞，等.Monel400合金熱壓縮變形流變應(yīng)力本構(gòu)方程[J].精密成形工程，2018，10（4）：132-138.

【14】Q. Liu，Philip Nash.The effect of Ruthenium addition on the microstructure and mechanical properties of TiAl alloys[J].Intermetallics，2011，19（9）：1282-1290.

【15】C. Zener，J. H. Hollomon.Effect of Strain Rate Upon Plastic Flow of Steel[J].Journal of Applied Physics，1944，15（1）：22-32.

【16】李雪飛，沙愛學(xué)，黃旭，等.TC27鈦合金的熱變形行為及加工圖[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2018，35（5）：29-32.

【基金項(xiàng)目】國(guó)家自然科學(xué)基金（51761029）;航空科學(xué)基金（2017ZE56016）。

【作者簡(jiǎn)介】程靜（1994-），女，江西上饒人，從事材料加工工程研究。

【通訊作者】王克魯（1968-），男，山東冠縣人，教授，從事材料加工工程研究。