TiB95 合金熱壓縮流變應(yīng)力研究

楊青云，李 沖，2，呂光輝，韓 廣

（1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023；2.先進(jìn)鈦及鈦合金材料技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，河南 洛陽 471023）

0 引言

TiB95 合金是一種近α 型鈦合金，通過α 穩(wěn)定元素鋁的固溶強化，并加入少量中性元素鋯以及β穩(wěn)定元素鉬強化合金。TiB95 合金具有中等室溫和高溫強度、良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、石油化工等領(lǐng)域[1-4]。

本研究以TiB95 合金的熱模擬壓縮實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，研究變形工藝參數(shù)對TiB95 合金高溫變形時流動應(yīng)力的影響，為合理地制定TiB95 合金的熱加工成型工藝提供依據(jù)。

1 實驗材料與方法

實驗材料為φ610mm 的TiB95 鈦合金鑄錠，屬于Al-Mo-Zr-V 系屈服強度800MPa 級中強高韌鈦合金材料。采用差熱分析法測得TiB95 鈦合金相變點為980℃。試驗設(shè)備型號為Gleeble 3500，試樣尺寸為?10×15 mm，試樣兩端面加工貯存高溫保護(hù)潤滑劑的淺槽，槽深0.2mm，提高試樣與設(shè)備之間的潤滑效果。試驗的升溫速度為10℃/s，到溫后保溫5min 以消除溫度梯度；壓縮實驗完成后對試樣立即采用水淬處理。試驗數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動采集、計算和修正，試驗結(jié)果以數(shù)據(jù)表格和圖形方式給出。試驗的溫度為（℃）：850、900、950、1000、1050；試驗的應(yīng)變速率為（s-1）：0.01、0.1、1、10；變形量均為60%。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

變形溫度和應(yīng)變速率對TiB95 合金高溫壓縮變形時流動應(yīng)力的影響如圖1 所示。由圖可知，雖然TiB95 合金的熱壓縮變形參數(shù)不同，但是流變曲線變化趨勢相似，都具有加工硬化、動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶的特征。在相同的應(yīng)變速率下，流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低；而在相同的變形溫度下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的減小而降低。變形開始階段，變形引起大量位錯增殖與累積，加工硬化現(xiàn)象顯著，隨著變形的繼續(xù)，流動應(yīng)力急劇增加到峰值[5]，此階段加工硬化占主導(dǎo)地位，同時伴隨位錯的攀移、交滑移等形式的動態(tài)回復(fù)軟化機制，動態(tài)回復(fù)效果相對較弱；變形繼續(xù)增加時，合金無法通過動態(tài)回復(fù)消除的位錯積累下來，變形到一定程度，引起動態(tài)再結(jié)晶的形核及長大，有效降低位錯密度[6]，從而使流動應(yīng)力出現(xiàn)下降趨勢。隨著動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)回復(fù)的進(jìn)行，同時加工硬化效果逐漸減弱，當(dāng)動態(tài)軟化效果與加工硬化階段位錯相抵消時，材料出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動趨勢[7]。

圖1 不同應(yīng)變速率下TiB95 合金熱壓縮變形真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

2.2 熱變形流變應(yīng)力本構(gòu)方程

金屬的高溫變形是一個熱激活過程，高溫變形過程取決于溫度和應(yīng)變速率[8]。描述熱變形時變形溫度T 和應(yīng)變速率ε˙對流變應(yīng)力的影響，可用雙曲正弦Arrhenius 方程對實驗數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計分析并建立其本構(gòu)方程[9-10]，即：

式（1）可以根據(jù)較低應(yīng)力水平和較高應(yīng)力水平簡化式（2）和式（3）[11-12]。

式中：R 為摩爾氣體常數(shù)，取值8.314J/（mol·K）；Q 為高溫形變激活能，J·mol-1；n 為應(yīng)力指數(shù)，并有n=β/α；A、A1、A2、n1、β 為與材料有關(guān)的常數(shù)。

不同變形條件下等溫?zé)釅嚎s實驗得到的流動應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以用于確定本構(gòu)關(guān)系中的材料常數(shù)，下面以峰值應(yīng)力為例求解本構(gòu)關(guān)系中的材料常數(shù)和本構(gòu)方程。TiB95 合金在不同變形條件下的峰值應(yīng)力如表1 所示。

表1 合金在850-1050℃區(qū)間不同熱變形條件下的峰值應(yīng)力（σp/MPa）

根據(jù)本構(gòu)方程模型，求解與TiB95 合金合金相關(guān)的參數(shù)n、β、α。對式（2）和式（3）兩邊取對數(shù)并整理得

圖2 是ε˙=0.01～10s-1的范圍內(nèi)，用不同溫度下TiB95 合金的峰值應(yīng)力分別繪制的lnε˙～σ、lnε˙～lnσ的變化關(guān)系圖，然后利用origin 數(shù)據(jù)處理軟件分別對圖中各組數(shù)據(jù)點進(jìn)行線性回歸處理，以求得其斜率，如圖2a、2b 所示。

圖2a 對數(shù)應(yīng)變速率與應(yīng)力的關(guān)系、對數(shù)應(yīng)變速率與對數(shù)應(yīng)力的關(guān)系滿足近似線性關(guān)系；根據(jù)式（4），取圖2a 中高應(yīng)力狀態(tài)下，850～950℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得β 值：β=0.0481；根據(jù)式（5），取圖2b 中低應(yīng)力狀態(tài)下，950～1050℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得n1值：n1=5.07；所以α=β/n1=0.0095。

圖2 不同條件下ln～σ、lnσ～ln的變化關(guān)系圖

假定形變激活能Q 與溫度無關(guān)，對式（1）兩邊取對數(shù)，可得到

并對式（6）求偏微分可得變形激活能

繪制不同條件下，lnε˙～ln[sinh（ασ）]與ln[sinh（ασ）]～1000/T 的關(guān)系曲線，如圖3 所示。對圖3 中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸計算其斜率，即可獲得n=4.418 和s=19.702 值。

圖3 lnε～～ln[sinh（ασ）]與ln[sinh（ασ）]～1000/T 的關(guān)系曲線

則形變激活能Q：

變形溫度和變形速率對材料熱變形的影響可以用溫度補償變形速率因子Zener-Hollomom 參數(shù)（簡稱Z）來描述：

對式（8）取對數(shù)得到：

繪制sinh（ασ）及其對應(yīng)的lnZ 的值的關(guān)系圖并進(jìn)行線性擬合，如圖4 所示。根據(jù)其截距可得lnA=69.68，則A=1.827×1030。

圖4 lnZ～sinh（ασ）的關(guān)系圖

將求得的α、Q、n、A 的數(shù)值帶入式（1）即可得到TiB95 合金的峰值流變應(yīng)力本構(gòu)方程：

2.3 本構(gòu)關(guān)系的驗證

為了驗證本構(gòu)方程的準(zhǔn)確性，利用本試驗計算得到的本構(gòu)方程，將計算不同試驗條件下的流變應(yīng)力峰值與熱壓縮試驗得到的應(yīng)力值進(jìn)行對比，如圖5所示。通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，峰值應(yīng)力計算值與實測值的誤差不超過8%，計算值與試驗值吻合良好。

圖5 本構(gòu)方程計算數(shù)值與試驗值對比

3 結(jié)論

（1）TiB95 合金的高溫?zé)釅嚎s流變應(yīng)力受變形溫度和變形速率的影響。在變形溫度為850℃～1050℃，應(yīng)變速率為0.01～10s-1范圍內(nèi)：在相同的應(yīng)變速率下，流變應(yīng)力隨著變形溫度的升高而降低；而在相同的變形溫度下，流變應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的減小而降低。

（2）TiB95 合金的熱變形行為受熱激活過程控制，其變形激活能Q 為723.679kJ/mol。TiB95 合金的熱變形本構(gòu)方程為：