新型TB9鈦合金屈服強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)

劉樂(lè)， 許琦鵬， 侯成， 金宏， 沈鵬， 馬勇， 晉小超*

(1.河南航天精工制造有限公司， 河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 信陽(yáng) 464000；2.西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院， 極端環(huán)境與防護(hù)技術(shù)聯(lián)合研究中心， 西安 710049)

鈦合金以其優(yōu)異的力學(xué)性能，成為近代工業(yè)高性能結(jié)構(gòu)件的首選材料之一，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、化工、艦艇船只等領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)，航空工業(yè)領(lǐng)域中的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)機(jī)體是鈦合金主要應(yīng)用方向，為滿足其輕量化的需求，鈦合金占整體材料比重也不斷增高[3]。鈦合金根據(jù)β穩(wěn)定元素含量一般可分為種類型:α型、近α型、馬氏體α+β型、近亞穩(wěn)定β型、亞穩(wěn)定β型和穩(wěn)定β型[4]。TB9鈦合金(名義成分為Ti-3.6Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)屬于亞穩(wěn)定β型鈦合金中的一種，鉬當(dāng)量約為19.6，在730 ℃可發(fā)生α→β相變，通過(guò)固溶時(shí)效處理后其強(qiáng)度可達(dá)1 200～1 400 MPa，斷裂韌性可達(dá)58～66 MPa·m0.5[5]。因?yàn)門B9鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、較低的彈性模量、優(yōu)良的抗裂紋擴(kuò)展能力及耐蝕性，其被廣泛地應(yīng)用于航空緊固件、航空母艦彈射裝置[6-7]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)TB9鈦合金的研究主要局限于其抗疲勞性能、熱變形行為、抗裂性能等方面。如Schmidt等[8]和Chaikh等[9]研究了雙重時(shí)效對(duì)TB9鈦合金疲勞性能的影響，結(jié)果表明，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)念A(yù)時(shí)效條件，可以獲得均勻致密的α相沉淀，改善該合金的抗疲勞性能。Somerday等[10]研究了具有不同微觀結(jié)構(gòu)的TB9鈦合金的環(huán)境輔助抗裂性，結(jié)果表明，具有單一β相的冷加工TB9鈦合金和具有β/α微觀結(jié)構(gòu)的短時(shí)效TB9鈦合金具有更強(qiáng)的抗開裂能力。Ukaszek-Soek等[11]研究了初始組織由α和β相組成的合金的熱變形行為，獲得了加工、微觀結(jié)構(gòu)變化和硬度圖。Xu等[12]研究了不同應(yīng)變對(duì)TB9鈦合金熱變形行為的影響，結(jié)果表明，在950 ℃的溫度和1 s-1的應(yīng)變率下，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到1.2時(shí)，已形成異常粗晶。TB9鈦合金在其服役過(guò)程中常承受著不同應(yīng)變率狀態(tài)的應(yīng)力作用，而應(yīng)變率對(duì)材料性能有著重要的影響。近年來(lái)，金屬材料在不同應(yīng)變率工況下的力學(xué)性能研究得到重視，如張冬旭等[13]采用高溫拉伸試驗(yàn)研究了GH3230合金在溫度1 144～1 273 K、應(yīng)變率1×10-3～1×10-1s-1條件下的熱變形行為，結(jié)果表明該合金的流變應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加而升高。Chen等[14]研究了6026鋁合金在應(yīng)變率范圍為0.001～10 s-1和溫度范圍為673～823 K條件下的流動(dòng)應(yīng)力行為，并且建立了考慮應(yīng)變補(bǔ)償?shù)腁rrhenius本構(gòu)模型。Wu等[15]對(duì)6063鋁合金在應(yīng)變率范圍為0.01～10 s-1和變形溫度范圍為573～723 K條件下進(jìn)行了熱壓縮試驗(yàn)，建立了考慮應(yīng)變補(bǔ)償?shù)谋緲?gòu)方程模擬熱變形行為。毛萍莉等[16]采用霍普金森壓桿裝置研究AM60B鎂合金在高溫和高應(yīng)變率下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)鎂合金的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)隨著應(yīng)變的增加顯著增加，隨變形溫度的增加而降低。董丹陽(yáng)等[17]研究了應(yīng)變率對(duì)DP780鋼激光焊接接頭動(dòng)態(tài)變形行為的影響，研究表明，DP780鋼激光焊接接頭的變形行為對(duì)應(yīng)變率敏感，動(dòng)態(tài)載荷下，DP780鋼激光焊接接頭不同區(qū)域組織塑性變形行為應(yīng)變率依存性存在差異，這是焊接接頭斷裂位置表現(xiàn)出明顯應(yīng)變率效應(yīng)的本質(zhì)原因。Lee等[18]利用霍普金森壓桿裝置對(duì)304 L不銹鋼焊接接頭進(jìn)行了動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)該材料的高應(yīng)變率下的變形具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。然而應(yīng)變率對(duì)TB9鈦合金力學(xué)性能影響的相關(guān)研究被報(bào)道較少，目前，尚不清楚應(yīng)變率對(duì)TB9鈦合金應(yīng)變率力學(xué)性能及變形行為的影響規(guī)律。

針對(duì)以上問(wèn)題，現(xiàn)采用三次真空自耗熔煉工藝制備了TB9鈦合金材料，并對(duì)其開展了室溫拉伸和壓縮試驗(yàn)，研究了TB9鈦合金材料在應(yīng)變率0.000 5～0.1 s-1范圍內(nèi)的力學(xué)性能變化及其變形行為。此外，本文還詳細(xì)討論了應(yīng)變率對(duì)TB9鈦合金材料壓縮和拉伸屈服強(qiáng)度的影響，并依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出屈服強(qiáng)度及增強(qiáng)因子與對(duì)數(shù)應(yīng)變率的關(guān)系，可用于預(yù)測(cè)TB9鈦合金在工程應(yīng)用中的力學(xué)行為。

1 試驗(yàn)

1.1 TB9鈦合金試件制備

采用Mo40V40Al20合金、海綿狀Cr單質(zhì)、海綿狀Zr單質(zhì)、豆?fàn)預(yù)l單質(zhì)、AlV85合金以及海綿狀Ti單質(zhì)等原材料壓制電極，單支電極尺寸為Φ150 mm×350 mm，重27 kg，共24支電極。經(jīng)過(guò)三次真空自耗熔煉制備出直徑380 mm，重648 kg的TB9鈦合金鑄錠，鑄錠化學(xué)成分為Ti-3.6Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr。鑄錠經(jīng)鍛造、熱軋制成熱軋棒材，熱軋棒材經(jīng)800 ℃、30 min、水淬固溶處理后經(jīng)扒皮、無(wú)心磨成光棒。依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，對(duì)光棒進(jìn)行車削加工，制成18個(gè)壓縮試件和18個(gè)拉伸試件。壓縮試件為直徑6 mm，長(zhǎng)度為10 mm的圓柱體，拉伸試件為“狗骨頭”狀，其中間平行段直徑為6 mm，長(zhǎng)度為32 mm，如圖1所示。

圖1 TB9鈦合金試件幾何尺寸Fig.1 Dimensions of TB9 titanium alloy specimens

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 7314—2017及GB/T 228.1—2010試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，使用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(MTS，C45.105)對(duì)試件分別進(jìn)行軸向壓縮和拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)應(yīng)變率選為0.000 5、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 s-1，依據(jù)壓縮和拉伸試件的尺寸計(jì)算得到壓縮試驗(yàn)中采用的壓縮速率為0.3、0.6、3、6、30、60 mm/min，拉伸試驗(yàn)中采用的拉伸速率為1.05、2.1、10.5、21、105、210 mm/min。每種加載速率工況下分別進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，共進(jìn)行18次軸向壓縮試驗(yàn)和18次軸向拉伸試驗(yàn)，如圖2所示，在試件失效時(shí)終止試驗(yàn)并記錄拉伸數(shù)據(jù)。試驗(yàn)完成后，對(duì)典型拉伸試件經(jīng)過(guò)拉伸破壞后的斷口切割制樣，使用鎢燈絲掃描電鏡(ZEISS，EVO10)觀察顯微組織。

圖2 TB9鈦合金試件加載過(guò)程Fig.2 Loading process of TB9 titanium alloy specimens

從圖2中可以看出，試件在失效后發(fā)生了明顯的塑性變形，因此基于變形過(guò)程中體積恒定假設(shè)，采用真應(yīng)力-應(yīng)變公式代替工程應(yīng)力-應(yīng)變可以更準(zhǔn)確地描述材料的力學(xué)行為，真應(yīng)力、真應(yīng)變公式為

σ=σm(1+εm)

(1)

ε=ln(1+εm)

(2)

式中：σm為工程應(yīng)力；εm為工程應(yīng)變。

(3)

式(3)中：C為常數(shù)；m為屈服強(qiáng)度應(yīng)變率敏感系數(shù)。

對(duì)式(3)兩邊取自然對(duì)數(shù)得

(4)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

選取每組TB9鈦合金壓縮試件中具有代表性試件，觀察其宏觀破壞形貌，如圖3所示。由于端面效應(yīng)，試件在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)鐓粗現(xiàn)象，未出現(xiàn)明顯的裂紋，說(shuō)明TB9鈦合金具有良好的塑性。處理壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到應(yīng)變率分別為0.000 5、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 s-1的壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，選取每組3條曲線中重復(fù)性較好的1條曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，在不同的應(yīng)變率下，開始階段合金的真應(yīng)力隨著真應(yīng)變?cè)黾佣€性急劇增大，在合金的真應(yīng)力達(dá)到屈服極限之后，合金真應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩。這主要是因?yàn)門B9鈦合金在塑性變形時(shí)，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié)，使晶粒拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，使得加工硬化效應(yīng)較動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶等軟化效應(yīng)更明顯[23]。此外，隨著應(yīng)變率的升高，試件屈服極限升高，達(dá)到屈服極限對(duì)應(yīng)的真應(yīng)變也升高。

圖3 TB9鈦合金壓縮試件宏觀變形形貌Fig.3 Macro-morphology of TB9 titanium alloy specimens after compression tests

圖4 TB9鈦合金試件壓縮真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-true strain curves of TB9 titanium alloy specimen for compression tests

圖5 TB9鈦合金拉伸試件宏觀破壞形貌Fig.5 Macro-morphology of TB9 titanium alloy specimens after tensile tests

選取每組TB9鈦合金拉伸試件中具有代表性試件，觀察其宏觀破壞形貌，如圖5所示，可以觀察到拉伸過(guò)程中試件出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，斷口不平整，表明TB9鈦合金塑性良好。

應(yīng)變率為0.005 s-1的TB9鈦合金拉伸試件微觀破壞形貌如圖6(a)所示，從中可以看出斷口呈韌性斷裂杯錐狀形貌，由剪切唇和纖維區(qū)組成，放射區(qū)不明顯。此外，可以觀察到斷口表面存在大量的韌窩，韌窩中含有大量夾雜和微孔。應(yīng)變率為0.000 5～0.1 s-1的TB9鈦合金拉伸試件微觀破壞形貌如圖6(b)所示，從中發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變率的增大，韌窩尺寸及深度均會(huì)變小，這是由于隨著瞬間局部能量增加，微孔洞增加，裂紋的萌生和擴(kuò)展速度都隨著應(yīng)變率的提高而有所增加，在很多韌窩處于萌生階段時(shí)材料就發(fā)生破壞。處理拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到應(yīng)變率分別為0.000 5、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 s-1的拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，選取每組3條曲線中重復(fù)性較好的1條曲線，如圖7所示，可以看出拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的彈塑性變形特征。曲線分為3個(gè)區(qū)域：①?gòu)椥詤^(qū)，真應(yīng)力真應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，直至達(dá)到彈性極限；②硬化區(qū)，材料發(fā)生屈服后，隨真應(yīng)變量的增加產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象，硬化區(qū)在整個(gè)拉伸斷裂過(guò)程中占比較大；③頸縮斷裂區(qū)，真應(yīng)力隨著真應(yīng)變的增加迅速下降，局部產(chǎn)生頸縮變形，直到試件發(fā)生斷裂。從圖7中還可以看到，隨著應(yīng)變率的升高，試件屈服極限升高，達(dá)到屈服極限對(duì)應(yīng)的真應(yīng)變也升高。

取0.2%殘余變形的真應(yīng)力值為TB9鈦合金試件條件屈服強(qiáng)度，將每組3個(gè)試件的條件屈服強(qiáng)度求平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，如表1所示，對(duì)比表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，TB9鈦合金材料在較小應(yīng)變率工況下，具有明顯的拉壓對(duì)稱性。此外，隨著應(yīng)變率由0.000 5 s-1升高至0.1 s-1，TB9鈦合金材料平均壓縮屈服強(qiáng)度由955.96 MPa升高至1 090.94 MPa，升幅14.12%，平均拉伸屈服強(qiáng)度由971.01 MPa升高至1 096.31 MPa，升幅12.90%，標(biāo)準(zhǔn)差均小于15 MPa，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率敏感性。壓縮和拉伸工況下TB9鈦合金材料應(yīng)變率和屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖8。從圖8可以看出，TB9鈦合金壓縮和拉伸對(duì)數(shù)屈服強(qiáng)度隨對(duì)數(shù)應(yīng)變率增加呈線性增加趨勢(shì)，這主要是由于在較高應(yīng)變率下合金變形時(shí)間較短，位錯(cuò)密度增加較快，內(nèi)部畸變程度提高，合金因此具有更高的變形抗力[24]。線性擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，可分別得到壓縮工況下和拉伸工況下線性擬合方程為

圖6 TB9鈦合金拉伸試件斷面微觀形貌Fig.6 Microstructures of the fracture surface of TB9 titanium alloy specimen after tensile tests

圖7 TB9鈦合金試件拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.7 True stress-true strain curves of TB9 titanium alloy specimen after tensile tests

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表1 TB9鈦合金試件應(yīng)變率與平均屈服強(qiáng)度Table 1 Strain rate and average yield strength of TB9 titanium alloy specimens

圖8 TB9鈦合金試件屈服強(qiáng)度-應(yīng)變率關(guān)系Fig.8 Relationship between yield strength and strain rate of TB9 titanium alloy specimens

與其他鈦合金的應(yīng)變率敏感系數(shù)相比較[25]，本文中制備的TB9鈦合金在較低應(yīng)變率工況下，均勻變形的能力更強(qiáng), 成形性更好。

圖9 TB9鈦合金試件拉伸屈服強(qiáng)度增強(qiáng)因子-自然對(duì) 數(shù)應(yīng)變率關(guān)系Fig.9 Relationship between yield strength enhancement factor and natural logarithmic strain rate of TB9 titanium alloy specimen

對(duì)屈服強(qiáng)度進(jìn)行無(wú)量綱化處理，引入壓縮和拉伸屈服強(qiáng)度增強(qiáng)因子[26]其定義為

(7)

(8)

式中：σs-c0和σs-t0分別為TB9鈦合金材料在應(yīng)變率為0.000 5 s-1時(shí)的壓縮屈服強(qiáng)度和拉伸屈服強(qiáng)度，σs-c和σs-t分別為該材料在其他相應(yīng)應(yīng)變率下的壓縮屈服強(qiáng)度和拉伸屈服強(qiáng)度。將表1、表2中平均屈服強(qiáng)度代入式(7)、式(8)中，分別得到壓縮和拉伸情況下屈服強(qiáng)度增強(qiáng)因子-自然對(duì)數(shù)應(yīng)變率散點(diǎn)圖，如圖9所示。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)屈服強(qiáng)度增強(qiáng)因子隨自然對(duì)數(shù)應(yīng)變率增加呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)，采用線性函數(shù)擬合了TB9鈦合金材料室溫下屈服強(qiáng)度增強(qiáng)因子與應(yīng)變率對(duì)數(shù)之間的關(guān)系，得到回歸方程為

(9)

(10)

由于在應(yīng)變率0.000 5～0.1 s-1范圍內(nèi)，很少有關(guān)于鈦合金材料屈服強(qiáng)度增強(qiáng)因子和應(yīng)變率之間關(guān)系的研究，式(9)和式(10)可方便地用于計(jì)算工程中TB9鈦合金材料的壓縮和拉伸屈服強(qiáng)度。

3 結(jié)論

采用三次真空自耗熔煉工藝制備TB9鈦合金材料，并開展了室溫拉伸和壓縮試驗(yàn)，研究了TB9鈦合金材料在應(yīng)變率0.000 5～0.1 s-1范圍內(nèi)的力學(xué)性能及其變形行為，詳細(xì)討論了應(yīng)變率對(duì)材料壓縮和拉伸屈服強(qiáng)度的影響，得到如下結(jié)論。

(1)本文制備的TB9鈦合金壓縮屈服強(qiáng)度應(yīng)變率敏感系數(shù)為0.022 73，拉伸屈服強(qiáng)度應(yīng)變率敏感系數(shù)為0.021 10，在較低應(yīng)變率工況下，具有良好的均勻變形能力和成形性。

(2)隨著應(yīng)變率的增大，TB9鈦合金拉伸試件斷面韌窩尺寸及深度均會(huì)變小，這是由瞬間局部能量增加，裂紋萌生和擴(kuò)展速度加快，韌窩在萌生階段時(shí)材料斷裂所致。

(3)應(yīng)變率由0.000 5 s-1升高至0.1 s-1時(shí)，TB9鈦合金材料的平均壓縮屈服強(qiáng)度由955.96 MPa升高至1 090.94 MPa，平均拉伸屈服強(qiáng)度由971.01 MPa升高至1 096.31 MPa。本文建立的屈服強(qiáng)度增強(qiáng)因子和自然對(duì)數(shù)應(yīng)變率之間的關(guān)系方程，可用于預(yù)測(cè)工程應(yīng)用中TB9鈦合金的力學(xué)性能。