基于Jmatpro和Deform的鈦合金試件熱處理模擬

劉馨宇, 謝本昌, 王業(yè)雙, 張 迪, 岑耀東, 陳 林

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院(稀土學(xué)院), 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、密度小、焊接性好、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),可作為承力結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、醫(yī)用填充物、醫(yī)療器械、體育器械和海洋工程等領(lǐng)域[1-2]。但目前國(guó)產(chǎn)鈦合金試件在熱處理后經(jīng)常存在綜合性能不合格、產(chǎn)品殘余應(yīng)力和畸變大等一系列問題,尤其在大尺寸復(fù)雜試件上問題更為突出,極大降低了產(chǎn)品在使用過程中的精度及質(zhì)量,因此有必要通過數(shù)值模擬對(duì)鈦合金在熱處理過程中的溫度、應(yīng)力及變形等變化規(guī)律進(jìn)行研究。王文等[3]對(duì)TC4鈦合金在熱處理過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行模擬研究,為減小工件的變形提供了一定的指導(dǎo)意義;王偉[4]對(duì)TC4鈦合金工件的熱處理過程進(jìn)行模擬研究,發(fā)現(xiàn)其變形量與退火溫度具有正相關(guān)關(guān)系;盧政等[5]對(duì)TA15鈦合金在不同退火溫度下的殘余應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行了模擬研究,并結(jié)合力學(xué)性能確定了最佳回火溫度;張睿等[6]對(duì)TA15鈦合金鍛件熱處理過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)通過分段加熱方式可以改善鍛件連續(xù)加熱時(shí)的溫度分布不均勻現(xiàn)象。本文以某廠生產(chǎn)的TC4鈦合金試件為研究對(duì)象,利用Jmatpro和Deform軟件對(duì)其固溶時(shí)效過程進(jìn)行模擬,分析試件在熱處理過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等變化規(guī)律,為復(fù)雜試件的熱處理工藝開發(fā)提供一定的理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 試件熱處理有限元模型建立

TC4鈦合金的化學(xué)成分如表1所示,并基于此利用Jmatpro軟件建立模擬所需TC4鈦合金材料文件,并將密度、熱導(dǎo)率、比熱、泊松比、彈性模量、線膨脹系數(shù)等參數(shù)導(dǎo)入Deform中用于計(jì)算,上述材料參數(shù)均隨溫度變化。利用UG軟件對(duì)鈦合金試件進(jìn)行建模,導(dǎo)入Deform中后,綜合考慮模擬精度及計(jì)算效率,并將試件劃分為32 000個(gè)四面體網(wǎng)格。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

為了明確掌握試件在熱處理過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等變化規(guī)律,明確單純熱處理作用對(duì)試件的影響,僅對(duì)自由狀態(tài)下的試件熱處理過程進(jìn)行模擬,即試件在熱處理過程中只受熱的作用,而不受其它任何外加載荷作用,也不考慮試件熱處理前的初始應(yīng)力和變形狀態(tài)。

該國(guó)產(chǎn)TC4鈦合金試件呈“A”字形,其長(zhǎng)、寬、高方向的大致尺寸分別為700、500、90 mm,且在“A”字形試件頂端和兩腳處有螺栓孔,其中螺栓孔大小分別約為φ40 mm和80 mm。固溶-時(shí)效工藝為900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC,由于時(shí)效過程保溫時(shí)間過長(zhǎng),且模擬過程只考慮熱的作用,故為提高計(jì)算效率,采用900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×1 h, AC的模擬方案,并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定試件在不同介質(zhì)下的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。并對(duì)該試件的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明。

2 有限元模擬結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

鈦合金試件在固溶和時(shí)效兩階段冷卻過程中,由于冷卻后期試件中溫度梯度變化不明顯,故各取4個(gè)特征時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行分析。此“A”字形試件在頂端和兩腳螺栓孔處由于尺寸較小,故冷速較快,與其它部位存在一定的溫度梯度。根據(jù)Deform模擬結(jié)果,用試件中最大溫度與最小溫度之差表示溫度梯度,并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)列于表2。

由表2可知,TC4鈦合金試件在熱處理過程中隨冷卻過程的進(jìn)行,溫度梯度逐漸減小,且冷卻后期,固溶冷卻過程與時(shí)效冷卻過程的溫度梯度逐漸接近,這是由于固溶和時(shí)效冷卻時(shí)間較長(zhǎng),冷卻后期試件各部位溫度逐漸趨于均勻。對(duì)比固溶冷卻過程與時(shí)效冷卻過程的溫度梯度,也可發(fā)現(xiàn)時(shí)效冷卻過程中試件產(chǎn)生的溫度梯度遠(yuǎn)小于固溶冷卻過程,這是固溶水冷冷速遠(yuǎn)大于時(shí)效空冷冷速所導(dǎo)致的。根據(jù)上述分析,也可推測(cè)此鈦合金試件在固溶加熱過程和時(shí)效加熱過程也存在一定的溫度梯度,其變化規(guī)律與冷卻過程相似。

表2 TC4鈦合金試件在固溶和時(shí)效冷卻過程中的溫度梯度

由于試件在固溶冷卻過程中產(chǎn)生的溫度梯度遠(yuǎn)大于時(shí)效冷卻過程,勢(shì)必使試件在固溶冷卻后,各部位由于冷速不同而獲得不同的組織。采用Jmatpro軟件預(yù)測(cè)TC4鈦合金在900 ℃固溶后不同冷速下的組織轉(zhuǎn)變情況,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,TC4鈦合金在0.1 ℃/s和1 ℃/s冷速下,組織轉(zhuǎn)變規(guī)律基本相同,隨溫度降低,α相含量逐漸升高后趨于穩(wěn)定,但0.1 ℃/s冷速下α相的轉(zhuǎn)變量約為95%,1 ℃/s冷速下α相的轉(zhuǎn)變量約為85%,而在10 ℃/s冷速下,α相含量基本不變,約為52%,β相含量先趨于穩(wěn)定,在700 ℃時(shí)急劇降低,400 ℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?同時(shí)組織中會(huì)產(chǎn)生馬氏體相,轉(zhuǎn)變量約為48%。由于鈦合金中的馬氏體相是置換固溶體,以至于沒有強(qiáng)烈的硬化和強(qiáng)化效應(yīng)。通常不采用馬氏體相作為最終產(chǎn)物,而是將馬氏體相作為過渡相,對(duì)其進(jìn)行重新加熱,分解出彌散分布的α相與β相,產(chǎn)生析出強(qiáng)化[7-8]。由于此“A”型試件在頂端和兩腳螺栓孔處冷速較大,高于10 ℃/s,故會(huì)使試件各部分性能不均勻,影響其使用精度和質(zhì)量,因此,有必要對(duì)其進(jìn)行合理的時(shí)效處理,以滿足實(shí)際的使用要求。

圖1 TC4鈦合金900 ℃固溶后不同冷速下的組織轉(zhuǎn)變

為了進(jìn)一步分析時(shí)效處理對(duì)TC4鈦合金組織和性能的影響,采用箱式電阻爐對(duì)該試件進(jìn)行900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC的固溶時(shí)效處理,按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》采用GNT300電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,位移速率為0.01 mm/s,試樣工作區(qū)直徑為φ5 mm,原始標(biāo)距為25 mm。測(cè)試結(jié)果表明,其屈服強(qiáng)度為1059 MPa,抗拉強(qiáng)度為1169 MPa,伸長(zhǎng)率為13.2%,拉伸斷口形貌如圖2所示,可見斷口均勻分布著大小不一的韌窩,為韌性斷裂,可滿足該工件的一般實(shí)際使用要求。圖3為該工藝下的顯微組織,此組織與鄒海貝[9]通過SEM、XRD、TEM等手段對(duì)TC4鈦合金在不同熱處理工藝下的組織具有一致性,時(shí)效處理后組織中不存在細(xì)針狀α′馬氏體,由初生等軸α相和彌散分布的析出相(時(shí)效α相、時(shí)效β相)組成。

圖2 TC4鈦合金經(jīng)900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC固溶時(shí)效處理后的拉伸斷口形貌

圖3 TC4鈦合金經(jīng)900 ℃×1 h, WQ+540 ℃×4 h, AC固溶時(shí)效處理后的顯微組織

2.2 應(yīng)力及變形模擬結(jié)果

根據(jù)模擬分析結(jié)果,此TC4鈦合金試件在固溶時(shí)效過程中存在顯著的溫度分布不均勻現(xiàn)象。根據(jù)熱力學(xué)原理,當(dāng)試件不同位置存在溫度梯度時(shí),會(huì)使試件在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生一定的膨脹量和收縮量,進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力,熱應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)熱變形,并使其在熱處理結(jié)束后產(chǎn)生畸變,當(dāng)試件的畸變量較大時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響其使用質(zhì)量。

以固溶冷卻過程為例,對(duì)比上述各冷卻時(shí)間下的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析,得出TC4鈦合金試件對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力模擬結(jié)果,如表3所示。由表3可知,當(dāng)冷卻時(shí)間由20 s增加到40、60和300 s時(shí),試件產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力分別為205、398、290和120 MPa,即在冷卻初期(20～40 s),試件在較高的溫度梯度下保留時(shí)間越長(zhǎng),產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大,直到固溶冷卻后期,冷卻時(shí)間為300 s時(shí),溫度梯度降低到61.1 ℃,最大等效應(yīng)力降至120 MPa。而時(shí)效冷卻過程中的等效應(yīng)力變化不明顯,且試件在固溶冷卻后的最大等效應(yīng)力為65.6 MPa,而時(shí)效冷卻后的最大等效應(yīng)力降至35.3 MPa,較固溶冷卻后顯著降低,這是由于時(shí)效過程的冷速較慢,試件的溫度梯度較固溶冷卻過程小。

表3 TC4合金試件在固溶和時(shí)效冷卻過程中的最大等效應(yīng)力

根據(jù)有限元模擬結(jié)果,可推測(cè)此“A”型試件在固溶時(shí)效處理時(shí)頂端螺栓孔處的溫度梯度和應(yīng)力最大,綜合使用性能易不達(dá)標(biāo),故利用Deform軟件計(jì)算數(shù)據(jù)繪出“A”型試件頂端螺栓孔處在全位移狀態(tài)下的變形量隨時(shí)間的變化曲線,如圖4所示。由圖4可知,試件在固溶時(shí)效處理過程中的變形量呈迅速增大-穩(wěn)定-迅速減小-增大-穩(wěn)定-逐漸減小的趨勢(shì)。在整個(gè)固溶時(shí)效處理過程中,900 ℃保溫結(jié)束時(shí)試件的變形量最大,約為6.92 mm,之后在水冷階段迅速降低到0.18 mm,在540 ℃保溫時(shí)增加到3.66 mm并保持穩(wěn)定,之后在空冷過程中逐漸降低到0.77 mm。固溶時(shí)效處理結(jié)束后,此試件產(chǎn)生的畸變量不大。

圖4 TC4合金試件在全位移狀態(tài)下的變形量隨時(shí)間變化的曲線

3 結(jié)論

1) TC4鈦合金試件在固溶時(shí)效處理過程中各部位之間存在著一定的溫度梯度,且“A”型試件在900 ℃固溶冷卻時(shí)頂端和兩腳處冷速高于10 ℃/s,產(chǎn)生約為48%的馬氏體相,造成試件的綜合性能不均勻,有必要進(jìn)行合理的時(shí)效處理。540 ℃時(shí)效處理后的組織中不存在細(xì)針狀α′馬氏體,由初生等軸α相和彌散分布的析出相(時(shí)效α相、時(shí)效β相)組成,屈服強(qiáng)度為1059 MPa,抗拉強(qiáng)度1169 MPa,伸長(zhǎng)率為13.2%,可滿足工廠一般使用要求。

2) TC4鈦合金“A”型試件在固溶時(shí)效處理過程中存在的溫度梯度會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,試件在固溶冷卻后的最大等效應(yīng)力為65.6 MPa,而時(shí)效冷卻后的最大等效應(yīng)力降至35.3 MPa,較固溶冷卻后顯著降低。

3)在固溶時(shí)效處理過程中,TC4鈦合金“A”型試件頂端螺栓孔處的溫度梯度和熱應(yīng)力最大,其在熱處理過程中的畸變量呈迅速增大-穩(wěn)定-迅速減小-增大-穩(wěn)定-逐漸減小的趨勢(shì),在固溶時(shí)效處理結(jié)束后,該部位的畸變量不大,為0.77 mm。