tc4钛合金的高温热变形行为研究

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1、TC4钛合金的高温热变形行为研究TC4（Ti6AL4V）是一种中等强度的α＋β型钛合金，含有6％的α稳定元素Aｌ和4％的β稳定元素V。ＴＣ４钛合金由于具有优异的综合性能和良好的工艺特性，广泛应用于航空航天业和各种民用工业，其产量占所有钛合金的一半以上。近年来，有限元软件在材料加工过程中得到了越来越广泛的应用，为了充分发挥这种技术的优势，必须精确知晓所加工材料的流变应力，这对于提高模拟精度以及设备选择、加工工艺规程的制定均具有重要意义。流变应力是表征材料塑性成形性能的一个基本指标，受变形温度、应变速率、变形程度及合金化学成分等因素的影响。Ｔ

2、Ｃ４钛合金由于在加工过程中变形抗力大，多采用热成型方法。本文研究了ＴＣ４合金的热变形行为，建立了不同温度区间的本构方程，为其热加工工艺的制定提供了理论和试验依据。１　试验方法本试验所用的材料为宝钢特殊钢分公司提供的热轧态Φ50的ＴＣ４棒材，其化学成分见表1，原始组织为典型的细小等轴组织，α晶粒平均直径约为10μｍ。该合金的相变点为975℃。热压缩试样从圆棒上纵向截取，尺寸为8×12ｍｍ。试验在Tｈｅｒｍｅｃｍａｓｔｅｒ－Z型热模拟试验机上进行，试样采用感应加热方式升温。试验时变形温度分别为：850，900，950，1000，1050，1

3、100，1150℃；变形速率分别为：0.5，5.3ｓ－1；变形程度为50％，即真应变为0.69。试样以10℃／ｓ的速率升温至变形温度，保温5ｍｉｎ，变形后以10℃／ｓ的速率降至室温。２　结果与讨论２．１　变形工艺参数对流变应力的影响变形温度、应变速率和变形程度对ＴＣ４钛合金高温流变应力的影响，如图1所示。可以看出，随着变形温度的升高和应变速率的减小，合金的流变应力降低，其中变形温度的影响作用最大。在应变速率为30ｓ－1的条件下，当变形温度由850℃升高至1150℃时，流变应力峰值由339.85MPa下降至72.38MPa。在变形温度为10

4、00℃的条件下，变形速率由0.5ｓ－1升高至30ｓ－1时，流变应力峰值由45.01MPa升高至112.62MPa，表明ＴＣ４为正应变速率敏感材料。这主要是由于应变速率的增加使得动态回复和再结晶难以充分完成，导致合金塑性降低，流动应力提高。　由图1可知，在试验变形温度和应变速率范围内，ＴＣ４钛合金应力应变曲线形状虽然不同，但都有应力峰值出现，且随着变形温度降低，峰值前移。在ＴＣ４钛合金的两相区（850～950℃），曲线达到峰值后迅速下降，存在明显的峰值，表明软化机制以动态再结晶为主。在高温相区（1000～1150℃），曲线趋于水平，没有明显

5、的峰值，表明软化机制以动态回复为主。这是由于在上述高温时，ＴＣ４已处于单一的β相，属于体心立方结构，容易发生位错的交滑移所致。２．２　本构关系的建立金属的高温变形是一个热激活过程，在此过程中，应变速率和温度对流动应力的影响至关重要，它们之间的关系可以用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程［１－３］表示：将ＴＣ４应力—应变数据进行处理，分别作ｌｎσｐ－ｌｎε和σ－ｌｎε两条关系曲线并进行回归，如图2所示。可以看出，850～1150℃变形时，ＴＣ４合金的ｌｎσｐ－ｌｎε和σ－ｌｎε均较好地满足线性关系，由式（4）、（5）可知，ｎ、β分别为图2（ａ）

6、、（ｂ）直线斜率的倒数，取平均值得：ｎ＝7.01746，β＝0.07346，故α＝β／ｎ＝0.01049。其中，低温段：α＝0.0055；高温段：α＝0.0166。对式（3）取对数可得：lnε＝lnＡ＋ｎln［sinｈ（ασ）］－Q／（RT）（6）将试验结果作出ｌｎε－ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］关系图，如图３所示。从图中可以看出，lnε－ln［ｓｉｎｈ（ασ）］近似成直线关系。经回归可得其斜率倒数的平均值为4.57618。在式（6）中，令Ｃ1＝（lnε－lnＡ）／ｎ，C2＝Q／（1000ｎR），可得：ln［ｓｉｎｈ（ασ）］＝C1＋C2

7、·1000／T（7）作ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］－1000／T的关系图，如图4所示。可以看出，在不同的温度区间，曲线具有不同的斜率，其算术平均值在低温和高温段分别为23.89336、5.01465。说明ＴＣ４合金在所试验温度范围具有不同的变形激活能，这与以前的报道有所不同［4］。经过计算，ＴＣ４在不同的温度区间得到不同的变形激活能，表明在不同的温度区间可能具有不同的变形机制。α－Tｉ自扩散Q＝170ｋJ／ｍｏｌ，β－Tｉ的自扩散Ｑ＝153ｋJ／ｍｏｌ［5］。作者计算得到的β相区变形激活能与之较为接近，表明ＴＣ４在β相区的变形主要由自由扩散控

8、制。但是，两相区变形激活能远远大于钛合金的自扩散Ｑ，表明变形是由扩散以外的过程控制。一般认为晶界滑移是（α＋β）区的主要变形机制［6－7］。有研究表明，金属的热变形激活能与自有扩散激活能相近，