TC18钛合金应力松弛行为及其本构关系

刘 勇，朱景川，陈 涛

(哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150001)

钛合金具有高的比强度、比刚度和优异的高低温性能，广泛应用于航空、航天和化工等领域。但钛合金弹性模量低，变形回弹大，因此热校形是钛合金重要的成形工序。应力松弛是热校形行为的基础，精密的热校形工艺技术基于钛合金应力松弛行为的研究。但关于TC18钛合金的应力松弛行为研究，还未见诸报道。TC18钛合金是一种近β型钛合金，具有较高的强度和优良的塑性，室温屈服强度可达1 100MPa，同时保持较高的伸长率，广泛应用于飞机起落架等航空结构件［1－8］。为保证TC18合金精确塑性成形行为，有必要进行该合金的应力松弛行为研究。

鉴于此，本文研究了退火态TC18钛合金的应力松弛行为，考察了初应力对合金应力松弛行为的影响，并得到相关的应力松弛行为本构方程，以期为TC18热校形工艺设计提供理论指导。

1 试验材料和方法

本试验选用宝鸡钛业股份有限公司生产提供的Φ100mm的TC18钛合金棒材，热轧态。成分如表1所示。

表1 TC18钛合金成分 (wt%)

采用GB/T 10120《金属材料应力松弛试验方法》进行应力松弛试验，试样采用高温环状等距弯曲应力松弛试样。其尺寸如图1所示。退火态应力松弛试验中施加的初始应力如表2所示。

表2 退火态应力松弛试验施加的初始应力

TC18合金退火试样的金相组织如2所示，为双态组织，初生等轴α相均匀分布在β转基体上。

图1 应力松弛试样尺寸图

图2 TC18钛合金典型热处理组织

2 试验结果

2.1 TC18退火态应力松弛行为的研究

将经过退火的TC18合金试样在500、600、650和700℃进行应力松弛试验，初始应力为286.44MPa，得到的剩余应力－时间曲线如图3所示。

图3 去应力退火态应力松弛试验曲线

从图3可知，应力松弛曲线可以看出应力松弛行为分为明显的两个阶段:第一阶段应力松弛速度较快，第二阶段松弛速度较慢，最后趋于一定值，即应力松弛极限σ∞。各个温度下达到应力松弛极限的时间及应力松弛极限的大小如表3所示。可见，温度对应力松弛行为影响非常显著，低温应力松弛慢，高温应力松弛快;同时温度较低时应力松弛极限σ∞也低，高温应力松弛时则σ∞高。

表3 退火态应力松弛达到σ∞时间及σ∞大小

从达到应力松弛极限所需的时间与温度的关系可以看出，500℃到700℃的温度间隔只有200℃，但达到松弛极限的时间却相差较大，说明TC18的应力松弛行为对温度非常敏感。考虑达到应力松弛极限时间，500℃和600℃需要时间太长，而700℃时间较短，650℃需要3h左右，在工业生产中应用较为适宜。而且650℃应力松弛极限较低，为4.05MPa。因此，宜选取650℃作为热校形的温度。

2.2 初应力对TC18钛合金应力松弛行为的影响

根据应力松弛的一般理论，初应力对应力松弛行为具有一定影响。在650℃下选取不同的初应力进行应力松弛试验，得到的剩余应力－时间曲线如图4所示。

图4 TC18钛合金650℃不同初应力下的σ－t曲线

由图4可知，在135.22MPa和180.21MPa的初应力条件下，应力松弛极限σ∞均为4MPa左右，即σ∞的大小与初始应力无关，只与应力松弛试验的温度有关。初应力只影响应力松弛行为的松弛速率。初应力越高，松弛越快。随着时间的增加，不同初始应力下的剩余应力趋近于相同值。

假设同一温度下不同初始应力为σ01和σ02，此温度下的应力松弛极限为σ∞，两者在同一时刻的瞬时应力分别为σ1和σ2，则有如下规律:

试验得到的相关数据如表4所示。从表4可知，在应力松弛前期阶段，不同初应力下的能较好地满足式(1)，过了前期阶段后略微有所偏差。这与理论分析是相符的。

表4 650℃不同初始应力下的剩余应力与松弛时间的关系

2.3 应力松弛本构方程的建立

记

为应力残留率。σ为某一瞬间应力，σ∞为应力松弛极限，σ0为初始应力，650℃时应力残留率随时间变化如表5所示。由应力松弛行为特点可知应力残留率ψ只与温度和时间有关，温度一定时，ψ为时间的函数，其表征了应力松弛的动力学过程。

表5 650℃下应力残留率ψ与t的关系

应力残留率满足Maxwell方程，故可用Maxwell方程进行拟合［1，2］。其表达式为:

650℃应力松弛拟合得到的结果如图5所示。其中拟合得到的参数 值 为:A=1.0334，τ=4.9057，由图5可知，拟合效果较好，大部分点都在拟合曲线上，相关系数R=0.988。

图5 650℃应力残留率与时间拟合

结合公式(2)，得到退火态TC18钛合金应力松弛本构方程的一般形式:

式(4)表征了650℃时应力松弛过程中瞬时剩余应力与时间及初应力的关系，此方程满足Maxwell粘弹性方程的形式。又650℃时σ∞=4.05MPa，得到去应力退火态TC18钛合金650℃时的应力松弛本构方程为:

在应力松弛过程中，总应变保持不变，即:

由于在应力松弛过程中，弹性应变要不断转化为塑性应变，同时保持总应变不变［1，2］，因此有:

代入式(4)，可得:

若以秒为单位，对650℃应力松弛行为数据进行处理，则式(10)中，τ=4.9057×60=294.342，E=79800MPa，σ∞=4.05MPa。即为650℃时蠕变塑性应变与瞬时剩余应力的本构方程，如式(11)所示。该方程在制定精密热校形技术具有重要的应用。

3 结论

(1)应力松弛行为分为明显的两个阶段:第一阶段应力松弛速度较快，第二阶段松弛速度较慢，最后趋于一定值，存在应力松弛极限。

(2)应力松弛行为受应力松弛温度和初应力的影响。，低温应力松弛慢，高温应力松弛快;同时温度较低时应力松弛极限σ∞也低，高温应力松弛时则σ∞高;σ∞的大小与初始应力无关，只与应力松弛试验的温度有关。初应力只影响应力松弛试验开始时的松弛速率;初应力越高，松弛越快。。

(3)根据达到应力松弛极限的时间及应力松弛极限的大小，初步选定650℃作为热校形的温度，采用MAXWELL方程拟合得到其剩余应力与时间的关系为:σ=4.05+(σ0－4.05，其中A=1.0334，τ=4.9057。在此基础上得到TC18钛合金蠕变塑性应变与瞬时剩余应力的本构方程。

［1］刘勇，朱景川，尹钟大，李明伟.Ti－6Al－4V合金应力松弛行为及微观组织观察.稀有金属，2002，12:67.

［2］刘勇，朱景川，尹钟大.魏氏组织Ti－6Al－4V合金应力松弛行为及机理.稀有金属材料与工程，2005，34(11):1766－1769.

［3］王晓燕，郭鸿镇，姚泽坤.双重退火对TC18钛合金等温锻件组织性能的影响.材料热处理学报，2009，30(1):100－103

［4］孟笑影，庞克昌，殷俊林.热处理工艺对TC18钛合金组织和性能的影响.《热处理》，2006，21(1):36－40.

［5］张英明，段启辉，韩明臣，等.热处理对TC18钛合金丝显微组织与力学性能的影响.钛工业进展，2011，28(2):23－25.

［6］韩 栋，张鹏省，毛小南，等.两种典型热处理工艺对TC18钛合金组织性能的影响.钛工业进展，2009，26(6):23－26.

［7］李红恩，沙爱学.TC18钛合金热压参数对流动应力与显微组织的影响.材料工程，2010，1:85－88.

［8］陈缇萦，聂西安，易丹青，等.TC18钛合金高温变形行为与加工图.金属铸锻焊技术，2012，23－26.