電流大小對TC4鈦合金高溫壓縮力學行為的影響分析

胡靜

（成都工業(yè)學院 機械工程系，成都 611730）

0 引 言

TC4 鈦合金由美國于1954 年研制成功［1］。它是一種α+β 等軸馬氏體型兩相合金，密度小、耐高溫、比強度高、耐腐性好、抗氧化性能好，被廣泛應用于航空航天、武器裝備、艦船及醫(yī)學等領域中，約占鈦合金總產量的50%。在金屬壓力加工中引入電流，電子的定向運動促進微觀形變，有利于塑性變形。材料發(fā)生塑性變形所需的應力越小，則其變形抗力越小，塑性越好。鈦合金的力學性能對電力學參數敏感，因此，研究高溫壓縮過程中電流大小對TC4 鈦合金力學行為的影響，對實現工藝參數優(yōu)化和提高工件質量是非常有意義的。

高溫壓縮試驗是利用電流作為加熱源，以不同的升溫速度分別加熱不同晶粒度的TC4 鈦合金。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次電塑性壓縮試驗材料為若干φ5×7.5 mm TC4 鈦合金小圓柱體試樣，平均晶粒度分別為8 μm、16 μm 和20 μm，退火態(tài)，等軸α+β 組織。化學成分質量分數如下：Ti，6.50%Al，4.25%V，0.16%O，0.04%Fe，0.02%C，0.015%N，0.0018%H 和其他。

1.2 試驗方法

利用Gleeble-1500D 動態(tài)熱-力學模擬機完成TC4鈦合金高溫壓縮實驗。熱-力學模擬機利用閉環(huán)控制的直流電阻加熱方式加熱試樣，工藝路線為：分別以10 ℃/s 和50 ℃/s 的升溫速度將試樣加熱至變形溫度700 ℃，變形速率為10-3/s，變形量為35%，水淬。

2 結果及分析

2.1 電流大小與升溫速度的關系

熱-力學模擬機根據預設升溫速度控制輸出電流大小，且滿足下式：

式中：I 為通過試樣的電流；A 為試樣橫截面積；ρ 為試樣的密度；C 為試樣的比熱容；σ 為試樣的電阻系數；dT/dt為試樣的預設升溫速度。

由式（1）可知，試樣一定，I 與dT/dt 相關，理想狀態(tài)時I2∝dT/dt。得到以下結論：利用熱-力學模擬機進行高溫壓縮時，通過試樣的電流大小與預設升溫速度大小有關。預設升溫速度大，則實際通過試樣的電流大；預設升溫速度小，則實際通過試樣的電流小。

2.2 電流大小對升溫過程應力的影響

材料內部任意一點的局部應力都是由外加應力和內應力組成［2］，即其中：τloc為作用于滑移面上的局部應力；τ 為外加應力；τi為內應力。

外加應力由熱-力學模擬機的力學控制系統(tǒng)提供，它促進位錯的可動性。內應力包括晶格摩擦力、長程內應力、滑移位錯與林位錯之間產生的交互作用力和阻力，長程內應力促進位錯可動性，其余應力阻礙位錯可動性。當促進位錯發(fā)生的應力和大于阻礙位錯發(fā)生的應力和時，位錯可動，否則位錯不可動。當微觀變形達到臨界條件后，便產生宏觀上的塑性變形［3］。

本實驗分別以10 ℃/s 和50 ℃/s 的升溫速度將試樣加熱至700 ℃進行壓縮，整個過程可以分為兩個階段：升溫階段和保溫階段（恒溫變形階段）。升溫階段利用電流加熱試樣，電流產生的焦耳熱為試樣提供熱量，電流帶來的電塑性作用十分明顯。

由焦耳-楞次定律，電流通過試樣時產生的熱量［4-5］

式中：Q 為電流通過試樣產生的熱量；R 為試樣的電阻值；t 為通電時間。

圖1 是分別以10 ℃/s 和50 ℃/s 的預設升溫速度加熱時測得的實際溫度-時間曲線圖。從圖中可以看出，曲線幾乎呈斜直線上升至700 ℃，這說明在整個升溫過程中升溫速度基本恒定。曲線在起始端有波動，這是因為對試樣突然施加電流造成的不穩(wěn)定現象，在之后的整個過程中曲線未出現明顯波動，說明試樣自身的參數（如密度、比熱容和電阻等）變化對溫度的影響不大。由式（1）知，I2∝dT/dt，綜合考慮ρ、C 和σ 對電流的影響，可將它們共同的作用視為恒量，所以在升溫速度一定時，電流大小也基本恒定。升溫過程中，為了討論電阻效應，我們利用應力-溫度曲線對比同溫度不同升溫速度下的應力值大小，即排除焦耳熱差異帶來的應力變化。圖2 是晶粒度分別為8 μm、16 μm 和20 μm 的TC4 鈦合金在10 ℃/s和50 ℃/s 升溫速度下的應力-溫度曲線圖，該圖反映電流大小對升溫過程應力值的影響。相同晶粒度不同升溫速度下得到的應力-溫度曲線差異很大，以升溫速度10 ℃/s加熱試樣時的應力值明顯大于升溫速度為50 ℃/s 時的應力值。這主要是因為電子的定向運動有促進位錯運動的作用，隨著電流的增大，定向運動電子數越多，對位錯的影響愈明顯。圖2（a）、（b）、（c）中，升溫速度為10 ℃/s 時應力峰值分別為600 MPa、500 MPa 和500 MPa，升溫速度為50 ℃/s 時應力峰值分別為300 MPa、260 MPa 和300 MPa。應力越小，材料抵抗變形的能力越差，塑性越好。由此可知電流越大，越容易誘發(fā)材料變形，這對材料的塑性是有利的。

圖1 不同升溫速度的溫度-時間曲線圖

圖2 不同升溫速度的應力-溫度曲線圖

相同溫度時，小電流作用下，電子活躍程度低，熱運動不是特別劇烈，激活能低，所以應力大，曲線先上升后下降。大電流作用下，電子活躍程度高，熱運動劇烈，激活能高，所以應力小，曲線一直上升，見圖2（d）。因為小電流加熱試樣一段時間，溫度升到500 ℃時，在焦耳熱和電流的耦合作用下，原子熱運動和電子定向運動的持續(xù)作用使得應力下降。大電流加熱試樣時升溫速度更快，在很短的時間內便升到了700 ℃，持續(xù)作用效應沒有體現出來。最后，二者到達700 ℃時的應力大小基本相同。總的來說，電流小，則應力大且急劇上升；電流大，則應力小且平穩(wěn)上升。大電流作用更有利于塑性變形。

通電前，試樣內的電子做雜亂無章的運動，在通電的瞬間，電子做定向運動，突然加劇電子與晶格的碰撞，導致晶格的熱運動加劇［6］，溫度急劇上升，所以圖中的起始溫度約100 ℃。升溫速度大小對起始溫度影響不大。

2.3 電流大小對真應力-真應變的影響

圖3 是晶粒度分別為8μm、16μm 和20μm 的TC4鈦合金在以升溫速度10 ℃/s 和50 ℃/s 作用下的真應力-真應變曲線。由圖可知，以電流作為加熱源壓縮時，主要軟化機制為動態(tài)再結晶。應力逐漸下降，未出現波動，故為連續(xù)動態(tài)再結晶過程。材料內部積累了足夠高的位錯密度后，在一定大小的驅動力作用下，便可發(fā)生動態(tài)再結晶［7］。圖3 中，電流越大，發(fā)生動態(tài)再結晶軟化時的臨界變形量越小，說明電流的增大可以提前動態(tài)再結晶軟化過程。

圖3 不同電流大小的真應力-真應變曲線圖

圖3 中曲線1 應力值在變形初期驟增，達到峰值后急劇下降，最后緩慢降低，趨于穩(wěn)定。因為以10 ℃/s 的速度加熱時，通過試樣的電流值較小，材料內部雖然產生了大量位錯，但是畸變能還不足以誘發(fā)大量動態(tài)再結晶，加工硬化占主導地位。加熱到一定溫度后，在溫度和電流的共同作用下開始發(fā)生動態(tài)再結晶軟化，由于前期儲存大量位錯，所以一旦誘發(fā)動態(tài)再結晶軟化則應力下降明顯。當加工硬化和動態(tài)軟化趨于平衡狀態(tài)時，流變應力緩慢降低，趨于穩(wěn)定。圖中曲線2 以50 ℃/s 的速度加熱時，通過試樣的電流值大，電流提供更高的變形能，促進位錯運動，所以該曲線出現了典型的應變硬化階段和穩(wěn)態(tài)流變階段，符合典型的動態(tài)再結晶特點。

壓縮變形初期，在電流和壓力的共同作用下，位錯啟動并產生大量新的位錯，導致位錯迅速增殖，產生加工硬化，應力迅速上升。隨著變形量的不斷增加，位錯密度增加，動態(tài)再結晶加快，軟化作用加強，當軟化作用大于加工硬化作用時，曲線開始下降，應力降低，此時的應力在峰值和屈服應力之間，屬于穩(wěn)態(tài)。

電流能降低材料的動態(tài)再結晶溫度、促進動態(tài)再結晶軟化，電流越大效果越明顯。同時，電流越大電子活躍程度也越大，因此材料內部的晶格摩擦力、位錯交互力和阻力也越大，τloc發(fā)生變化。當τloc≤0 時，部分可動位錯變成不可動位錯，造成位錯塞積，軟化能力受到影響。電流越大，動態(tài)再結晶軟化能力越差，穩(wěn)定態(tài)的應力越大；電流越小，動態(tài)再結晶軟化能力越好，穩(wěn)定態(tài)的應力越小。這就是曲線2 的應力值大于曲線1 應力值的原因，相同應變時二者的應力值相差約50 MPa。

3 結 論

1）以電流加熱試樣的升溫階段，小電流作用下，應力大且急劇上升，到達峰值后急劇下降；大電流作用下，應力小且平穩(wěn)上升。升溫至預設變形溫度700 ℃時二者應力大小基本相同。大電流作用更有利于塑性變形。

2）在試樣上施加大電流可以使其提早進入動態(tài)再結晶過程，無應力驟增現象，塑性變形均勻，但其穩(wěn)定態(tài)的應力大。施加小電流時進入動態(tài)再結晶過程較晚，且在變形初期應力驟增，不利用塑性變形，但其穩(wěn)定態(tài)的應力小。

3）鈦合金是高層錯能金屬，一般情況下其主要軟化機制是動態(tài)回復。本次實驗的變形溫度為700 ℃，低于其理論再結晶溫度。由真應力-真應變曲線知，TC4 鈦合金在其再結晶溫度以下發(fā)生了明顯的動態(tài)再結晶軟化，減小了材料在塑性變形過程中的抗力，從而說明電流能使層錯能高的材料在較低溫度下發(fā)生動態(tài)再結晶軟化，降低變形抗力，有利于塑性變形。

［1］ 高敬，姚麗.國內外鈦合金研究發(fā)展動態(tài)［J］.世界有色金屬，2001（2）：4-7.

［2］ 劉萍.塑性變形過程中的位錯動力學分析［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2010.

［3］ 趙田臣，周亮.金屬在彈性應力長期作用下的永久變形機理［J］.石家莊鐵道學院學報，1997，10（3）：100-102.

［4］ 連珊珊，馮可芹，楊屹，等.預設升溫速度對W-Cu 合金性能的影響［J］.電子元件與材料，2008，27（7）：41-43.

［5］ CHEN W N.Gleeble System and Application［M］.New York，USA：Gleeble System School，1998

［6］ 郭爾奇，楊剛，楊屹，等.升溫速度對電場燒結NdFeB 材料致密化的影響［J］.電子元件與材料，2007，26（3）：29-32.

［7］ 武威，劉雋，易德頌.Mn18Cr18N 護環(huán)變形過程中的動態(tài)再結晶［J］.一重技術，1998（4）：48-49.