基于DEFORM-3D模擬分析鈦合金楔橫軋微觀組織演變規(guī)律

趙志龍，徐 強，萬文璐，丁 睿

（寧波工程學院國際交流學院，浙江 寧波 315211）

引言

鈦合金優(yōu)點突出，是工業(yè)中常用的金屬材料之一，常常被人們稱為“未來金屬”[1-2]。目前，有二三十種鈦合金被應用在工業(yè)和生產中，常見的有：Ti6Al4V、Ti6Al4VELI、Ti32Mo、Ti1053、BT20、IMI834等。Ti6Al4V的使用量最大，占了所有鈦合金的60%~70%左右。Ti6Al4V在我國也被稱為TC4，具有良好的綜合性能，其成形性和焊接性都較好[3]。鈦合金不僅性能優(yōu)良，而且密度小，用于航天航空、車輛等產品上能夠降低產品重量、節(jié)省能耗。

楔橫軋加工成形技術是近凈成形軸類零件的方式之一，相比傳統(tǒng)的機加工和鍛造加工具有更高的生產效率和更低的加工成本，材料的利用率也大大提高了[4-6]。鈦合金軸類件楔橫軋加工的工藝參數(shù)對微觀組織影響決定了零件的微觀質量和使用性能，因此對其微觀組織進行探究是非常必要的。

1 TC4鈦合金本構方程與動態(tài)再結晶方程

1.1 TC4鈦合金動態(tài)再結晶方程

TC4鈦合金存中存在β單相區(qū)和α+β雙相區(qū)，本文根據文獻[7]建立了兩種相區(qū)的本構方程，具體參數(shù)如下：

α+β兩相區(qū)：

β單相區(qū)：

1.2 TC4鈦合金動態(tài)再結晶方程

本文應用了DEFORM-3D有限元軟件Avrami模型中材料的本構模型，分別建立了TC4鈦合金兩種相區(qū)的動態(tài)再結晶模型[7]。

α+β兩相區(qū)：

β單相區(qū)：

式中：εc為動態(tài)再結晶臨界應變；εp為流變應力曲線的峰值應力，MPa；為塑性應變速率（s-1）；Xdrex為動態(tài)再結晶影響系數(shù)；ε為真應變；ε0.5為動態(tài)再結晶體積分數(shù)達到50%時的應變；ddrex為動態(tài)再結晶晶粒尺寸，μm；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314 J/mol·K；T絕對溫度，K。

2 α+β相區(qū)動態(tài)再結晶體積分數(shù)模擬分析

2.1 α+β相區(qū)模擬工藝參數(shù)

通過調整初始加熱溫度、軋制速度和斷面收縮率，在DEFORM-3D軟件中模擬探究各工藝參數(shù)下動態(tài)再結晶體積分數(shù)的演變規(guī)律。工序參數(shù)下頁如表1所示。

表1 α+β相區(qū)模擬工藝參數(shù)表

2.2 α+β兩相區(qū)軋制溫度的影響

圖1所示為不同初始溫度下，動態(tài)再結晶體積分數(shù)模擬結果。初始溫度在850℃、900℃和950℃下，精整段的軋制區(qū)都產生了動態(tài)再結晶。對比不同溫度下，軋件端部動態(tài)再結晶情況，可以發(fā)現(xiàn)隨著軋制溫度升高，動態(tài)再結晶體積分數(shù)越高，動態(tài)再結晶越充分。

2.3 α+β相區(qū)軋制速度的影響

圖2所示為不同軋制速度下，動態(tài)再結晶體積分數(shù)模擬結果。對比模擬結果可以看出，不同軋制速度下，精整段的軋制區(qū)都產生了動態(tài)再結晶，但端部的中心動態(tài)再結晶不充分。對比不同軋制速度下軋件端部動態(tài)再結晶情況，可以發(fā)現(xiàn)隨著軋制速度的加快，動態(tài)再結晶體積分數(shù)越低，動態(tài)再結晶越不充分。

2.4 α+β相區(qū)斷面收縮率的影響

圖3 所示為不同斷面收縮率下，動態(tài)再結晶體積分數(shù)模擬結果。對比模擬結果可以看出，不同斷面收縮率下，精整段的軋制區(qū)都產生了動態(tài)再結晶。軋件端部中心隨著斷面收縮率的增大，動態(tài)再結晶體積分數(shù)不斷增大。

3 β單相區(qū)軋制微觀組織分析

3.1 相區(qū)模擬工藝參數(shù)確定

在不同的初始溫度、軋制速度和斷面收縮率下，在β相區(qū)模擬探究晶粒尺寸的變化。β相區(qū)與α+β相區(qū)的微觀組織明顯不同，具有等軸β晶組織，因此在β單相區(qū)對晶粒尺寸進行模擬分析更有意義，具體工藝參數(shù)如表2所示。

表2 單相區(qū)模擬工藝參數(shù)表

3.2 β單相區(qū)軋制溫度的影響

下頁圖4所示為不同初始溫度下，平均晶粒尺寸模擬結果。在不同溫度下，軋制精整區(qū)的晶粒都比端部小，且隨著初始溫度的升高，晶粒的尺寸就越大。

3.3 β單相區(qū)軋制速度的影響

下頁圖5所示為不同軋制速度下，平均晶粒尺寸模擬結果。對比軋件精整段晶粒平均大小可以看出，隨著軋制速度的提高，軋件平均晶粒尺寸不斷減小。

3.4 β單相區(qū)斷面收縮率對晶粒尺寸的影響

圖6所示為不同斷面收縮率下，平均晶粒尺寸模擬結果。對比軋件精整段晶粒平均大小可以看出，隨著斷面收縮率的增大，軋件平均晶粒尺寸不斷減小。

4 軋制實驗

本文通過對比α+β雙相區(qū)內不同初始溫度下軋制實驗與DEFORM-3D有限元模擬結果，驗證數(shù)值模擬的可靠性。對比軋制實驗中不同溫度下金相圖發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，初生a從塊狀連接變?yōu)楠毩⒌牡容S狀晶粒，初生a含量也明顯減少，說明隨著軋制初始溫度的升高，動態(tài)再結晶越充分。軋制實驗與數(shù)值模擬結論相同，進一步驗證了有限元模擬結果的可靠性。軋件金相圖如圖7所示。

5 結論

1）在α+β雙相區(qū)內，隨著初始軋制溫度的升高，能量增加，導致模擬結果顯示的動態(tài)再結晶體積分數(shù)相應越大；隨著軋制速度的加快，軋制時間縮短，導致模擬結果顯示的動態(tài)再結晶體積分數(shù)相應減??；隨著斷面收縮率的增大，材料形變增加，導致模擬結果顯示的動態(tài)再結晶體積分數(shù)相應增大。

2）在β單相區(qū)內，隨著初始軋制溫度的升高，能量增加，促進了模擬結果的晶粒尺寸相應增大；隨著軋制速度的加快，使得動態(tài)再結晶晶粒形核以后沒有足夠的時間長大，導致模擬結果顯示的晶粒尺寸相應減?。浑S著斷面收縮率的增大，晶粒更容易破碎，導致模擬結果顯示的晶粒尺寸相應減小。