Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe低成本鈦合金的熱壓縮變形行為

王 國，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家重點實驗室，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，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家重點實驗室，北京100088)

為研究鈦合金的熱壓縮變形過程中流變應力、顯微組織等隨變形條件的變化，對自行研制的 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe低成本鈦合金在Gleeble?1500D 熱模擬實驗機上進行高溫壓縮變形實驗。對d 8 mm×12 mm的試樣進行等溫壓縮變形實驗，研究該合金在變形量為30%、50%和70%(對應真應變為1.2)、變形溫度為800～950 ℃、應變速率為0.01～10 s?1條件下的變形行為、流變應力的變化規律以及變形條件對顯微組織的影響。結果表明：該合金流變應力受變形溫度和應變速率影響顯著，流變峰值應力隨變形溫度的升高和應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驗條件下的變形激活能Q=214.22 kJ/mol和應力指數n=3.81，并根據得到的參數建立相應的熱變形本構關系為ε˙=6.91×108[sinh(0.011σ)]3.81exp[?214 220/(RT)]。通過顯微組織觀察發現，在950 ℃、變形速率≥0.1 s?1時，發生再結晶現象，且隨著變形速率的增加，再結晶現象越明顯。

鈦合金；Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe；熱壓縮；本構關系；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度高，密度小，彈性模量約為鋼的一半，熱膨脹系數低，無磁性，熱導率低，耐腐蝕，對環境無污染等一系列優點。不但大量應用在宇航工業及化學工業等領域，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量，降低燃料消耗，提高工作效率，改善環境和降低噪音等[1?3]。然而，鈦合金的成本相對于鋼鐵、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成本非常敏感的民用領域的應用，汽車領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和重點[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) 合金設計過程中使用廉價的原材料(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計；3) 材料加工過程中提高材料利用率的加工設計。

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Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si 等軸組織狀態下的熱壓縮行為進行研究，趙映輝等[9]對Ti-1300合金的熱變形行為進行研究，羅皎等[10]對TC4鈦合金高溫變性行為及其流動應力模型進行了研究，這些研究結果表明，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低成本鈦合金進行 Gleeble熱模擬壓縮實驗，研究其在高溫熱變形過程中流變應力隨應變變化情況以及變形條件對顯微組織的影響，并根據材料在不同條件下獲得的真應力—真應變曲線建立了熱變形方程，對于Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe低成本鈦合金在今后的制造與應用過程中可提供一定數據支持和指導，具有一定的學術價值和實際意義。

1 實驗

實驗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)，采用淬火金相法測得該合金的相變點為(885±5) ℃。把d12 mm的棒材沿軸向機加工成d8 mm×12 mm的熱模擬壓縮試樣。恒溫壓縮實驗在清華大學的Gleeble?1500D熱模擬實驗機上進行，實驗時試樣兩端墊加石墨片以減小實驗過程中產生的摩擦，從而減小變形不均勻性。具體實驗方案如下：最大變形量為70%(真應變為1.2)；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，保溫時間為 5 min，試樣變形后立即水淬，以便保持高溫變形時的組織狀態，而整個熱變形過程如圖2所示。實驗后對沿試樣軸向切開制備金相，以便觀察試樣在實驗過程中的組織變化。把制備好的金相試樣經體積配比為V(HF):V(HNO3):V(H2O)=1:3:7的金相腐蝕劑腐蝕后，在Axiovert 200 MAT型Zeiss光學顯微鏡上進行顯微組織觀察。

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 結果與分析

2.1 真應力—真應變曲線

不同應變速率下鈦合金的真應力—真應變曲線如圖3所示。圖4所示為不同溫度下真應力—真應變曲線。從圖3中可看出，在850 ℃和900 ℃時，在變形的初始階段應力隨應變增加迅速增大，達到一個應力峰值后，又隨形變的增大而下降，最后應力逐漸近似于一個穩定的值。這說明在形變初始階段，形變硬化大于動態回復或者動態再結晶軟化，且兩者之間的差值隨應變的增大而加大，此時材料的位錯密度不斷增加，應力迅速增加，因此，在形變初始階段，應力隨應變增加而迅速增大，但是當形變硬化過程與軟化過程相等時，應力就會達到相當于曲線中的峰值，而當超過應力峰值后，動態回復或者動態再結晶軟化的過程超過了形變硬化的過程，就會導致應力就隨形變的增加而逐漸降低，直到硬化效果消除后，繼續進行形變，應力幾乎恒定保持不變[8?13]。在800和950 ℃時，應變速率為0.01～1.0 s?1時，流變應力在最后階段呈現上升趨勢，且應變速率越高，上升越明顯，應變速率為10 s?1時，流變應力的整體呈現先上升然后稍微降低并穩定的趨勢。從圖4可看出，隨溫度升高，流變應力在開始階段的峰值應力逐漸降低，主要因為隨溫度升高材料的變形抗力降低所致，體現在變形溫度升高使熱激活作用增強，位錯產生滑移的臨界分切應力減小，且隨著溫度的升高，動態回復和動態再結晶也更容易進行，使位錯密度下降，導致流變應力隨溫度升高而降低[14]。

圖3 應變速率對Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金真應力—真應變曲線的影響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Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金真應力—真應變曲線的影響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，在本實驗溫度范圍內，當變形溫度為800 ℃，應變速率為10和0.01 s?1時的流變應力峰值分別為222.79和57.47 MPa，兩者差值為165.32 MPa；當變形溫度為950 ℃，應變速率為10和0.01 s?1時的流變應力峰值分別為127.78和31.73 MPa，兩者相差96.05 MPa。從中也可看出，溫度越高，不同應變速率下的流變應力峰值差值越小。當形變溫度恒定時，形變速率ε˙越大，流變應力的峰值越大且達到穩定狀態的應變也就越大，這主要是因為一方面隨著應變速率的增大，塑性變形量也隨之增加，合金中會形成大量的新位錯，并驅使大量位錯同時運動，促使合金內部畸變程度加劇；另一方面位錯運動速度隨應變速率增加而加快，必然會導致所需要的切應力更大，從而使金屬內部的臨界切應力隨之升高；此外由于應變速率增加，動態回復或者動態再結晶得不到及時和充分補充，從而導致應力隨形變速率的增加而增大[15?17]。

2.2 流變應力模型

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

又可表達成

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

對式(1)進行泰勒級數展開可發現在低應力條件下流變應力與應變速率之間滿足式(3)的關系，在高應力條件下滿足式(4)的關系。

式中：A1、A2、n1和β均為常數，且常數α、β、n1之間滿足以下的關系

利用式(3)～(5)之間的關系，可確定式(1)中各個參數。將式(3)和式(4)取對數并整理得

根據真應力—真應變曲線分別作低應力水平和高應力水平時的lnσ— ln、σ— ln的關系曲線(如圖5所示)，采用最小二乘法進行線性回歸，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無關時，對式(1)兩邊分別取對數有

對溫度T求偏積分并變形后有

再由所算出的α值和真應力—真應變曲線繪制ln[sinh(ασ)]—ε˙

ln ，以及ln[sinh(ασ)]—1 000/T的關系圖(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)計算，就可以得到對應的Z值，與對應的峰值應力得到lnZ—ln[sinh(ασ)]關系曲線如圖7所示。采用一元線性回歸分析得出兩者線性關系為lnZ=3.553ln[sinh(ασp)]+20.284 7，其相關系數高達0.972以上。因此將得到的各個參數代入式(1)即可得到所進行的本實驗條件下的本構方程如下所示。

圖5 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金應變速率與峰值應力的關系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 變形對顯微組織的影響

圖8所示為變形量 70%(對應真應變 1.2)、溫度950 ℃時不同應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，合金內的晶粒沿著與壓縮垂直的方向伸長，β晶粒沿著變形方向拉長。在應變速率為0.01 s?1時(如圖8(a)所示)，合金內的β晶粒被拉長，說明此變形條件下合金變形主要以動態回復為主；當應變速率大于等于0.1 s?1時，沿拉長的β晶界生成細小的再結晶晶粒，且隨著變形速率增加，再結晶形核速率增大，促使β相晶粒發生再結晶，β晶粒細化，即變形速率越大，動態再結晶現象越明顯，合金在變形的整個過程中發生不完全再結晶，說明在此變形條件下，合金變形過程主要由動態回復和動態再結晶控制。

圖6 Ti-3.0Al-3.7Cr-2.0Fe合金的峰值應力與變形溫度的關系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合金的流變應力與Z參數的關系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 結論

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

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

3) 通過組織觀察發現，在 900 ℃、變形量達到70%、應變速率大于等于0.1 s?1時，合金變形過程中發生動態再結晶現象。

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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

國際科技合作項目(2010DFA52280)；中國博士后科學基金資助項目(20100470260)

2011-08-01；

2011-12-10

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