TC18鈦合金應(yīng)力松弛行為及其本構(gòu)關(guān)系

劉 勇，朱景川，陳 濤

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001)

鈦合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度和優(yōu)異的高低溫性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天和化工等領(lǐng)域。但鈦合金彈性模量低，變形回彈大，因此熱校形是鈦合金重要的成形工序。應(yīng)力松弛是熱校形行為的基礎(chǔ)，精密的熱校形工藝技術(shù)基于鈦合金應(yīng)力松弛行為的研究。但關(guān)于TC18鈦合金的應(yīng)力松弛行為研究，還未見(jiàn)諸報(bào)道。TC18鈦合金是一種近β型鈦合金，具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性，室溫屈服強(qiáng)度可達(dá)1 100MPa，同時(shí)保持較高的伸長(zhǎng)率，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架等航空結(jié)構(gòu)件［1－8］。為保證TC18合金精確塑性成形行為，有必要進(jìn)行該合金的應(yīng)力松弛行為研究。

鑒于此，本文研究了退火態(tài)TC18鈦合金的應(yīng)力松弛行為，考察了初應(yīng)力對(duì)合金應(yīng)力松弛行為的影響，并得到相關(guān)的應(yīng)力松弛行為本構(gòu)方程，以期為T(mén)C18熱校形工藝設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料和方法

本試驗(yàn)選用寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)提供的Φ100mm的TC18鈦合金棒材，熱軋態(tài)。成分如表1所示。

表1 TC18鈦合金成分 (wt%)

采用GB/T 10120《金屬材料應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，試樣采用高溫環(huán)狀等距彎曲應(yīng)力松弛試樣。其尺寸如圖1所示。退火態(tài)應(yīng)力松弛試驗(yàn)中施加的初始應(yīng)力如表2所示。

表2 退火態(tài)應(yīng)力松弛試驗(yàn)施加的初始應(yīng)力

TC18合金退火試樣的金相組織如2所示，為雙態(tài)組織，初生等軸α相均勻分布在β轉(zhuǎn)基體上。

圖1 應(yīng)力松弛試樣尺寸圖

圖2 TC18鈦合金典型熱處理組織

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 TC18退火態(tài)應(yīng)力松弛行為的研究

將經(jīng)過(guò)退火的TC18合金試樣在500、600、650和700℃進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，初始應(yīng)力為286.44MPa，得到的剩余應(yīng)力－時(shí)間曲線如圖3所示。

圖3 去應(yīng)力退火態(tài)應(yīng)力松弛試驗(yàn)曲線

從圖3可知，應(yīng)力松弛曲線可以看出應(yīng)力松弛行為分為明顯的兩個(gè)階段:第一階段應(yīng)力松弛速度較快，第二階段松弛速度較慢，最后趨于一定值，即應(yīng)力松弛極限σ∞。各個(gè)溫度下達(dá)到應(yīng)力松弛極限的時(shí)間及應(yīng)力松弛極限的大小如表3所示。可見(jiàn)，溫度對(duì)應(yīng)力松弛行為影響非常顯著，低溫應(yīng)力松弛慢，高溫應(yīng)力松弛快;同時(shí)溫度較低時(shí)應(yīng)力松弛極限σ∞也低，高溫應(yīng)力松弛時(shí)則σ∞高。

表3 退火態(tài)應(yīng)力松弛達(dá)到σ∞時(shí)間及σ∞大小

從達(dá)到應(yīng)力松弛極限所需的時(shí)間與溫度的關(guān)系可以看出，500℃到700℃的溫度間隔只有200℃，但達(dá)到松弛極限的時(shí)間卻相差較大，說(shuō)明TC18的應(yīng)力松弛行為對(duì)溫度非常敏感?？紤]達(dá)到應(yīng)力松弛極限時(shí)間，500℃和600℃需要時(shí)間太長(zhǎng)，而700℃時(shí)間較短，650℃需要3h左右，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為適宜。而且650℃應(yīng)力松弛極限較低，為4.05MPa。因此，宜選取650℃作為熱校形的溫度。

2.2 初應(yīng)力對(duì)TC18鈦合金應(yīng)力松弛行為的影響

根據(jù)應(yīng)力松弛的一般理論，初應(yīng)力對(duì)應(yīng)力松弛行為具有一定影響。在650℃下選取不同的初應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，得到的剩余應(yīng)力－時(shí)間曲線如圖4所示。

圖4 TC18鈦合金650℃不同初應(yīng)力下的σ－t曲線

由圖4可知，在135.22MPa和180.21MPa的初應(yīng)力條件下，應(yīng)力松弛極限σ∞均為4MPa左右，即σ∞的大小與初始應(yīng)力無(wú)關(guān)，只與應(yīng)力松弛試驗(yàn)的溫度有關(guān)。初應(yīng)力只影響應(yīng)力松弛行為的松弛速率。初應(yīng)力越高，松弛越快。隨著時(shí)間的增加，不同初始應(yīng)力下的剩余應(yīng)力趨近于相同值。

假設(shè)同一溫度下不同初始應(yīng)力為σ01和σ02，此溫度下的應(yīng)力松弛極限為σ∞，兩者在同一時(shí)刻的瞬時(shí)應(yīng)力分別為σ1和σ2，則有如下規(guī)律:

試驗(yàn)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。從表4可知，在應(yīng)力松弛前期階段，不同初應(yīng)力下的能較好地滿足式(1)，過(guò)了前期階段后略微有所偏差。這與理論分析是相符的。

表4 650℃不同初始應(yīng)力下的剩余應(yīng)力與松弛時(shí)間的關(guān)系

2.3 應(yīng)力松弛本構(gòu)方程的建立

記

為應(yīng)力殘留率。σ為某一瞬間應(yīng)力，σ∞為應(yīng)力松弛極限，σ0為初始應(yīng)力，650℃時(shí)應(yīng)力殘留率隨時(shí)間變化如表5所示。由應(yīng)力松弛行為特點(diǎn)可知應(yīng)力殘留率ψ只與溫度和時(shí)間有關(guān)，溫度一定時(shí)，ψ為時(shí)間的函數(shù)，其表征了應(yīng)力松弛的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

表5 650℃下應(yīng)力殘留率ψ與t的關(guān)系

應(yīng)力殘留率滿足Maxwell方程，故可用Maxwell方程進(jìn)行擬合［1，2］。其表達(dá)式為:

650℃應(yīng)力松弛擬合得到的結(jié)果如圖5所示。其中擬合得到的參數(shù) 值 為:A=1.0334，τ=4.9057，由圖5可知，擬合效果較好，大部分點(diǎn)都在擬合曲線上，相關(guān)系數(shù)R=0.988。

圖5 650℃應(yīng)力殘留率與時(shí)間擬合

結(jié)合公式(2)，得到退火態(tài)TC18鈦合金應(yīng)力松弛本構(gòu)方程的一般形式:

式(4)表征了650℃時(shí)應(yīng)力松弛過(guò)程中瞬時(shí)剩余應(yīng)力與時(shí)間及初應(yīng)力的關(guān)系，此方程滿足Maxwell粘彈性方程的形式。又650℃時(shí)σ∞=4.05MPa，得到去應(yīng)力退火態(tài)TC18鈦合金650℃時(shí)的應(yīng)力松弛本構(gòu)方程為:

在應(yīng)力松弛過(guò)程中，總應(yīng)變保持不變，即:

由于在應(yīng)力松弛過(guò)程中，彈性應(yīng)變要不斷轉(zhuǎn)化為塑性應(yīng)變，同時(shí)保持總應(yīng)變不變［1，2］，因此有:

代入式(4)，可得:

若以秒為單位，對(duì)650℃應(yīng)力松弛行為數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則式(10)中，τ=4.9057×60=294.342，E=79800MPa，σ∞=4.05MPa。即為650℃時(shí)蠕變塑性應(yīng)變與瞬時(shí)剩余應(yīng)力的本構(gòu)方程，如式(11)所示。該方程在制定精密熱校形技術(shù)具有重要的應(yīng)用。

3 結(jié)論

(1)應(yīng)力松弛行為分為明顯的兩個(gè)階段:第一階段應(yīng)力松弛速度較快，第二階段松弛速度較慢，最后趨于一定值，存在應(yīng)力松弛極限。

(2)應(yīng)力松弛行為受應(yīng)力松弛溫度和初應(yīng)力的影響。，低溫應(yīng)力松弛慢，高溫應(yīng)力松弛快;同時(shí)溫度較低時(shí)應(yīng)力松弛極限σ∞也低，高溫應(yīng)力松弛時(shí)則σ∞高;σ∞的大小與初始應(yīng)力無(wú)關(guān)，只與應(yīng)力松弛試驗(yàn)的溫度有關(guān)。初應(yīng)力只影響應(yīng)力松弛試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的松弛速率;初應(yīng)力越高，松弛越快。。

(3)根據(jù)達(dá)到應(yīng)力松弛極限的時(shí)間及應(yīng)力松弛極限的大小，初步選定650℃作為熱校形的溫度，采用MAXWELL方程擬合得到其剩余應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系為:σ=4.05+(σ0－4.05，其中A=1.0334，τ=4.9057。在此基礎(chǔ)上得到TC18鈦合金蠕變塑性應(yīng)變與瞬時(shí)剩余應(yīng)力的本構(gòu)方程。

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