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    Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe低成本鈦合金的熱壓縮變形行為

    2012-09-29 01:21:42惠松驍葉文君米緒軍
    關(guān)鍵詞:再結(jié)晶鈦合金峰值

    王 國(guó),惠松驍,葉文君,米緒軍

    (北京有色金屬研究總院 有色金屬材料制備與加工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100088)

    Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe低成本鈦合金的熱壓縮變形行為

    王 國(guó),惠松驍,葉文君,米緒軍

    (北京有色金屬研究總院 有色金屬材料制備與加工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100088)

    為研究鈦合金的熱壓縮變形過程中流變應(yīng)力、顯微組織等隨變形條件的變化,對(duì)自行研制的 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe低成本鈦合金在Gleeble?1500D 熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫壓縮變形實(shí)驗(yàn)。對(duì)d 8 mm×12 mm的試樣進(jìn)行等溫壓縮變形實(shí)驗(yàn),研究該合金在變形量為30%、50%和70%(對(duì)應(yīng)真應(yīng)變?yōu)?.2)、變形溫度為800~950 ℃、應(yīng)變速率為0.01~10 s?1條件下的變形行為、流變應(yīng)力的變化規(guī)律以及變形條件對(duì)顯微組織的影響。結(jié)果表明:該合金流變應(yīng)力受變形溫度和應(yīng)變速率影響顯著,流變峰值應(yīng)力隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而降低。采用Arrhenius雙曲正弦模型確定該合金在本實(shí)驗(yàn)條件下的變形激活能Q=214.22 kJ/mol和應(yīng)力指數(shù)n=3.81,并根據(jù)得到的參數(shù)建立相應(yīng)的熱變形本構(gòu)關(guān)系為ε˙=6.91×108[sinh(0.011σ)]3.81exp[?214 220/(RT)]。通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn),在950 ℃、變形速率≥0.1 s?1時(shí),發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象,且隨著變形速率的增加,再結(jié)晶現(xiàn)象越明顯。

    鈦合金;Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe;熱壓縮;本構(gòu)關(guān)系;顯微組織

    Abstract:In order to study the change of flow stress and microstructures with deformation condition, the hot compressive deformation behavior of self-made Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe low cost titanium alloy was investigated by Gleeble?1500D thermal simulator. The test conditions were set as follow, the strain rate ranges from 0.01 s?1to 10 s?1,the temperature ranges from 800 ℃ to 950 ℃ and the deformation is almost 70% which equal to the true strain of 1.2.The test results indicate that the peak flow stress decreases with the decreasing test temperature and increasing the strain rate. The constitutive relationship of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe alloy is obtained on the base of Arrhenius equations. When the strain rates are higher than 0.1 s?1, the dynamic recrystallization occurs in the alloy, and the higher the strain rates are, the more the evident recrystallization is.

    Key words:titanium alloy; Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe; hot compressive; constitutive relationship; microstructure

    鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高,密度小,彈性模量約為鋼的一半,熱膨脹系數(shù)低,無磁性,熱導(dǎo)率低,耐腐蝕,對(duì)環(huán)境無污染等一系列優(yōu)點(diǎn)。不但大量應(yīng)用在宇航工業(yè)及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域,而且作為汽車用材很早就引起人們的重視。汽車用鈦合金可減輕車體質(zhì)量,降低燃料消耗,提高工作效率,改善環(huán)境和降低噪音等[1?3]。然而,鈦合金的成本相對(duì)于鋼鐵、鋁等大量使用的金屬材料而言要高出許多,較高的制備成本在一定程度上阻礙了其在對(duì)成本非常敏感的民用領(lǐng)域的應(yīng)用,汽車領(lǐng)域就是最典型的例子,所以低成本鈦合金成為近幾年來研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[4]。目前,比較成功的降低鈦合金成本的方法主要以下3種[5?7]:1) 合金設(shè)計(jì)過程中使用廉價(jià)的原材料(如 Mo-Fe中間合金以及Fe元素等合金化元素);2) 改善材料加工特性的合金設(shè)計(jì);3) 材料加工過程中提高材料利用率的加工設(shè)計(jì)。

    眾所周知,金屬材料在加工過程中受到溫度、變形量和形變速率等的影響,而對(duì)于鈦合金不同條件下的等溫壓縮變形行為的研究也較多,如HUANG等[8]對(duì)Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si 等軸組織狀態(tài)下的熱壓縮行為進(jìn)行研究,趙映輝等[9]對(duì)Ti-1300合金的熱變形行為進(jìn)行研究,羅皎等[10]對(duì)TC4鈦合金高溫變性行為及其流動(dòng)應(yīng)力模型進(jìn)行了研究,這些研究結(jié)果表明,鈦合金在等溫壓縮過程中受到變形溫度和變形速率的影響較大,但不同類型的合金所得結(jié)果不全相同,因此,本文作者采用自行研制的 Ti-3.0Al- 3.7Cr-2.0Fe低成本鈦合金進(jìn)行 Gleeble熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn),研究其在高溫?zé)嶙冃芜^程中流變應(yīng)力隨應(yīng)變變化情況以及變形條件對(duì)顯微組織的影響,并根據(jù)材料在不同條件下獲得的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線建立了熱變形方程,對(duì)于Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe低成本鈦合金在今后的制造與應(yīng)用過程中可提供一定數(shù)據(jù)支持和指導(dǎo),具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。

    1 實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)材料為自行研制的二次真空自耗熔煉Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe低成本鈦合金,該合金鑄錠經(jīng)開坯、熱鍛、軋制加工成d12 mm的棒材,棒材的顯微組織由β基體和初生α相組成(如圖1所示),采用淬火金相法測(cè)得該合金的相變點(diǎn)為(885±5) ℃。把d12 mm的棒材沿軸向機(jī)加工成d8 mm×12 mm的熱模擬壓縮試樣。恒溫壓縮實(shí)驗(yàn)在清華大學(xué)的Gleeble?1500D熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣兩端墊加石墨片以減小實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的摩擦,從而減小變形不均勻性。具體實(shí)驗(yàn)方案如下:最大變形量為70%(真應(yīng)變?yōu)?.2);變形速率為0.01、0.1、1和10 s?1;溫度為800、850、900和950 ℃;以5 ℃/s的速率加熱到變形溫度后保溫,保溫時(shí)間為 5 min,試樣變形后立即水淬,以便保持高溫變形時(shí)的組織狀態(tài),而整個(gè)熱變形過程如圖2所示。實(shí)驗(yàn)后對(duì)沿試樣軸向切開制備金相,以便觀察試樣在實(shí)驗(yàn)過程中的組織變化。把制備好的金相試樣經(jīng)體積配比為V(HF):V(HNO3):V(H2O)=1:3:7的金相腐蝕劑腐蝕后,在Axiovert 200 MAT型Zeiss光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察。

    圖1 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金的原始顯微組織Fig.1 Primitive microstructure of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe alloy

    圖2 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金的熱變形示意圖Fig.2 Schematic diagram for hot deformation of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe alloy

    2 結(jié)果與分析

    2.1 真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線

    不同應(yīng)變速率下鈦合金的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線如圖3所示。圖4所示為不同溫度下真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線。從圖3中可看出,在850 ℃和900 ℃時(shí),在變形的初始階段應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾友杆僭龃?,達(dá)到一個(gè)應(yīng)力峰值后,又隨形變的增大而下降,最后應(yīng)力逐漸近似于一個(gè)穩(wěn)定的值。這說明在形變初始階段,形變硬化大于動(dòng)態(tài)回復(fù)或者動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化,且兩者之間的差值隨應(yīng)變的增大而加大,此時(shí)材料的位錯(cuò)密度不斷增加,應(yīng)力迅速增加,因此,在形變初始階段,應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣杆僭龃?,但是?dāng)形變硬化過程與軟化過程相等時(shí),應(yīng)力就會(huì)達(dá)到相當(dāng)于曲線中的峰值,而當(dāng)超過應(yīng)力峰值后,動(dòng)態(tài)回復(fù)或者動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化的過程超過了形變硬化的過程,就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力就隨形變的增加而逐漸降低,直到硬化效果消除后,繼續(xù)進(jìn)行形變,應(yīng)力幾乎恒定保持不變[8?13]。在800和950 ℃時(shí),應(yīng)變速率為0.01~1.0 s?1時(shí),流變應(yīng)力在最后階段呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且應(yīng)變速率越高,上升越明顯,應(yīng)變速率為10 s?1時(shí),流變應(yīng)力的整體呈現(xiàn)先上升然后稍微降低并穩(wěn)定的趨勢(shì)。從圖4可看出,隨溫度升高,流變應(yīng)力在開始階段的峰值應(yīng)力逐漸降低,主要因?yàn)殡S溫度升高材料的變形抗力降低所致,體現(xiàn)在變形溫度升高使熱激活作用增強(qiáng),位錯(cuò)產(chǎn)生滑移的臨界分切應(yīng)力減小,且隨著溫度的升高,動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶也更容易進(jìn)行,使位錯(cuò)密度下降,導(dǎo)致流變應(yīng)力隨溫度升高而降低[14]。

    圖3 應(yīng)變速率對(duì)Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線的影響Fig.3 Effect of strain rates on true stress—true strain curves of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe alloy: (a) 800 ℃; (b) 850 ℃; (c) 900 ℃;(d) 950 ℃

    圖4 溫度對(duì)Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線的影響Fig.4 Effect of temperature on true stress—true strain curves of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe alloy: (a) 1.0 s?1; (b) 10 s?1

    從圖3還可看出,在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi),當(dāng)變形溫度為800 ℃,應(yīng)變速率為10和0.01 s?1時(shí)的流變應(yīng)力峰值分別為222.79和57.47 MPa,兩者差值為165.32 MPa;當(dāng)變形溫度為950 ℃,應(yīng)變速率為10和0.01 s?1時(shí)的流變應(yīng)力峰值分別為127.78和31.73 MPa,兩者相差96.05 MPa。從中也可看出,溫度越高,不同應(yīng)變速率下的流變應(yīng)力峰值差值越小。當(dāng)形變溫度恒定時(shí),形變速率ε˙越大,流變應(yīng)力的峰值越大且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的應(yīng)變也就越大,這主要是因?yàn)橐环矫骐S著應(yīng)變速率的增大,塑性變形量也隨之增加,合金中會(huì)形成大量的新位錯(cuò),并驅(qū)使大量位錯(cuò)同時(shí)運(yùn)動(dòng),促使合金內(nèi)部畸變程度加劇;另一方面位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度隨應(yīng)變速率增加而加快,必然會(huì)導(dǎo)致所需要的切應(yīng)力更大,從而使金屬內(nèi)部的臨界切應(yīng)力隨之升高;此外由于應(yīng)變速率增加,動(dòng)態(tài)回復(fù)或者動(dòng)態(tài)再結(jié)晶得不到及時(shí)和充分補(bǔ)充,從而導(dǎo)致應(yīng)力隨形變速率的增加而增大[15?17]。

    2.2 流變應(yīng)力模型

    許多研究表明,金屬材料在熱變形時(shí)的流變應(yīng)力的大小與形變量、形變速率以及形變溫度等有很大關(guān)系,從前面所描述的合金的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線中也可看出。金屬高溫變形是一個(gè)熱激活過程,其變形溫度、應(yīng)變速率等對(duì)流變應(yīng)力的影響可用 Arrhenius雙曲正弦形式本構(gòu)方程表示[17],如式(1)所示。

    又可表達(dá)成

    式中:σ為流變應(yīng)力;ε˙為應(yīng)變速率,s?1;R為摩爾氣體常數(shù),R=8.314 J/(mol·K);A、α和n均為與材料狀態(tài)相關(guān)的常數(shù);Q為熱變形激活能,反應(yīng)材料熱變形的難易程度,其大小取決與材料的組織狀態(tài),其值通常與激活焓ΔH相等;Z為Zener-Hollomon參數(shù),其物理意義為溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率因子。

    對(duì)式(1)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開可發(fā)現(xiàn)在低應(yīng)力條件下流變應(yīng)力與應(yīng)變速率之間滿足式(3)的關(guān)系,在高應(yīng)力條件下滿足式(4)的關(guān)系。

    式中:A1、A2、n1和β均為常數(shù),且常數(shù)α、β、n1之間滿足以下的關(guān)系

    利用式(3)~(5)之間的關(guān)系,可確定式(1)中各個(gè)參數(shù)。將式(3)和式(4)取對(duì)數(shù)并整理得

    根據(jù)真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線分別作低應(yīng)力水平和高應(yīng)力水平時(shí)的lnσ— ln、σ— ln的關(guān)系曲線(如圖5所示),采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸,從圖中曲線可分別求出n1=5.173 3,β=0.057 2,再把n1、β值代入式(5)得到α= 0.011。

    假定變形激活能Q和變形溫度T無關(guān)時(shí),對(duì)式(1)兩邊分別取對(duì)數(shù)有

    對(duì)溫度T求偏積分并變形后有

    再由所算出的α值和真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線繪制ln[sinh(ασ)]—ε˙

    ln ,以及l(fā)n[sinh(ασ)]—1 000/T的關(guān)系圖(如圖6所示),從圖6中可求出,n值(n=3.81),再把n值分別代入式(8)和式(9)得到Q=214.22 kJ/mol,A=6.91×108。把計(jì)算得到的激活能Q值代入式(2)得Z=ε˙exp(214 220/RT)。不同變形溫度下合金熱變形的變形速率代入式(2)計(jì)算,就可以得到對(duì)應(yīng)的Z值,與對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力得到lnZ—ln[sinh(ασ)]關(guān)系曲線如圖7所示。采用一元線性回歸分析得出兩者線性關(guān)系為lnZ=3.553ln[sinh(ασp)]+20.284 7,其相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.972以上。因此將得到的各個(gè)參數(shù)代入式(1)即可得到所進(jìn)行的本實(shí)驗(yàn)條件下的本構(gòu)方程如下所示。

    圖5 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金應(yīng)變速率與峰值應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 Relationships between strain rate and peak stress of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe alloy: (a) lnσ— ln ; (b)σ— ln

    2.3 變形對(duì)顯微組織的影響

    圖8所示為變形量 70%(對(duì)應(yīng)真應(yīng)變 1.2)、溫度950 ℃時(shí)不同應(yīng)變速率下的金相顯微組織。從圖8中可看出,在壓縮作用力下,合金內(nèi)的晶粒沿著與壓縮垂直的方向伸長(zhǎng),β晶粒沿著變形方向拉長(zhǎng)。在應(yīng)變速率為0.01 s?1時(shí)(如圖8(a)所示),合金內(nèi)的β晶粒被拉長(zhǎng),說明此變形條件下合金變形主要以動(dòng)態(tài)回復(fù)為主;當(dāng)應(yīng)變速率大于等于0.1 s?1時(shí),沿拉長(zhǎng)的β晶界生成細(xì)小的再結(jié)晶晶粒,且隨著變形速率增加,再結(jié)晶形核速率增大,促使β相晶粒發(fā)生再結(jié)晶,β晶粒細(xì)化,即變形速率越大,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象越明顯,合金在變形的整個(gè)過程中發(fā)生不完全再結(jié)晶,說明在此變形條件下,合金變形過程主要由動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶控制。

    圖6 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金的峰值應(yīng)力與變形溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between peak stress and deformation temperature of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe alloy: (a) ln[sinh(ασ)]—ln ; (b) ln[sinh(ασ)]—T?1

    圖7 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金的流變應(yīng)力與Z參數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between flow stress and Zener-Hollomon parameter of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe alloy

    圖8 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金不同應(yīng)變速率下的顯微組織Fig.8 Microstructures of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe alloy under different strain rates: (a) 0.01 s?1; (b) 0.1 s?1; (c) 1.0 s?1; (d) 10 s?1

    3 結(jié)論

    1) Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金屬于正應(yīng)變速率敏感材料,應(yīng)變速率和變形溫度對(duì)合金流變應(yīng)力有顯著影響,熱變形流變應(yīng)力隨溫度升高而降低,隨變形速率增加而增大。

    2) 根據(jù)Arrhenius雙曲正弦關(guān)系建立了本實(shí)驗(yàn)條件下Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金的高溫變形本構(gòu)方程為=6.91×108[sinh(0.011σ)]3.81exp(?214 220/RT)。

    3) 通過組織觀察發(fā)現(xiàn),在 900 ℃、變形量達(dá)到70%、應(yīng)變速率大于等于0.1 s?1時(shí),合金變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。

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    (編輯 李艷紅)

    Hot compressive behavior of Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe low cost titanium alloy

    WANG Guo, HUI Song-xiao, YE Wen-jun, MI Xu-jun
    (State Key Laboratory of Nonferrous Metals and Processes,General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China)

    TG 14

    A

    1004-0609(2012)08-2223-07

    國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2010DFA52280);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20100470260)

    2011-08-01;

    2011-12-10

    惠松驍,教授,博士;電話:010-82241167;E-mail: huisx@grinm.com

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