应变对β-CEZ钛合金热加工图的影响研究

孙花梅,戚运莲，刘　伟,张思远，2,毛小南

(1.西北有色金属研究院，陕西　西安　710016)(2.西安建筑科技大学，陕西　西安　710055)



应变对β-CEZ钛合金热加工图的影响研究

孙花梅1,戚运莲1，刘伟1,张思远1，2,毛小南1

(1.西北有色金属研究院，陕西西安710016)(2.西安建筑科技大学，陕西西安710055)

基于β-CEZ钛合金的热模拟压缩实验，以动态材料模型为基础，建立了不同应变下的β-CEZ钛合金热加工图。从能量耗散率、非稳定参数和非稳定变形区三个方面分析了应变对β-CEZ钛合金热加工图的影响规律。分析结果表明：随着应变的增大，β-CEZ钛合金能量耗散率对应的等值线越来越密集，高能量耗散率对应的区域逐渐减小，而非稳定变形区越来越大，由小应变时的两个非稳定变形区变为大应变时贯穿整个温度范围的一个大非稳定变形区；不同应变下，应变速率为0.01～0.018 s-1、变形温度为820～920 ℃时，能量耗散率都大于0.45且没有发生塑性失稳，该范围内的工艺参数最适合β-CEZ钛合金的锻造。

β-CEZ钛合金；应变；热加工图

0　引　言

β-CEZ钛合金是以Ti-662-Zr合金成分为基础，用Mo取代V，并添加Cr和Fe设计而成的一种高强、高韧的亚稳定β型钛合金，主要作为结构件材料用于航空航天领域[1]。Peters等[2]研究了加工方式对β-CEZ钛合金组织以及断裂韧性的影响。Sukumar等[3]研究了7.62 mm盔甲穿孔弹对不同组织的β-CEZ钛合金弹道冲击行为的影响。Ponsonnet等[4]研究了400～470 ℃温度范围内β-CEZ钛合金的中温蠕变行为。Grosdidier等[5]研究了β-CEZ钛合金室温下的变形机制。这些已有的公开文献都主要集中于对β-CEZ钛合金组织、机械性能和变形机制的研究，却很少涉及β-CEZ钛合金加工性的研究。

表征金属塑性成形能力的一个重要指标是材料的“加工性”。所谓“加工性”是指材料在塑性变形过程中不发生破坏所能达到的变形能力。热加工图是评价材料加工性优劣的图形。基于动态材料模型的热加工图，能够揭示塑性变形机理，预测塑性变形过程中各类缺陷的产生，优化加工工艺参数。应变是影响合金塑性变形行为的重要参数之一，然而该模型的热加工图并没有耦合应变的影响。本研究基于热模拟压缩数据和Prasad理论建立了不同应变的β-CEZ钛合金热加工图，分析应变对β-CEZ钛合金热加工图的影响规律，为准确实现该合金塑性变形过程的最优设计与控制提供理论依据。

1　实验方法及计算依据

1.1实验方法

实验材料为锻态的β-CEZ钛合金，相变点为890 ℃，其化学成分如表1所示。β-CEZ钛合金的热模拟压缩试样为φ10 mm×15 mm的圆柱体。热模拟压缩实验在Gleeble-3800热模拟试验机上进行，压缩前抽真空。试样上下两端面附加钽片，以便尽可能减小摩擦。试样采用真空感应加热，升温速率为10 ℃/s。实验温度分别为800、850、900、95、1 000 ℃，应变速率分别为0.01、0.1、1.0、10.0 s-1，变形程度为70%。试样加热至变形温度后保温3 min，然后以恒定应变速率压缩，压缩完成后淬水冷却至室温。压缩过程中由焊接在试样侧面中部的热电偶实时测温。实验过程中，配有微机处理系统的试验机自动采集相关数据，并进行修正和计算，最后以表格形式输出载荷-行程和流动应力-应变等数据。

表1实验用β-CEZ钛合金的化学成分(w/%)

Table 1　Chemical composition of the as-received β-CEZ titanium alloy

基于实验所得到的流动应力-应变数据，选择应变在0～0.7之间的数据进行处理，得到β-CEZ钛合金在不同变形温度和应变速率下变形时的流动应力-应变曲线，如图1所示。从图中可以看出：变形开始阶段，流动应力随应变的增加迅速增加，几乎成直线上升；随着应变的增大，流动应力出现下降；当应变增加到一定程度时，流动应力不再发生明显变化。

图1　β-CEZ钛合金热模拟压缩变形过程中的流动应力-应变曲线Fig.1　The selected flow stress-strain curves in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy

1.2计算依据

Prasad和Gegel等人[6]建立了动态材料模型(DMM)。在动态材料模型中，能量耗散率η能够反映出不同工艺参数条件下的热变形机制。安全的热变形机制有动态再结晶、动态回复和超塑性等。所以在热加工过程中，能量耗散率η对于选择最佳的工艺参数具有重要作用。其表达式如下：

(1)

式中，m为应变速率敏感性指数。

Prasad等根据Ziegler[7]提出的最大熵产生率原理，得到流动不稳定性判据为：

(2)

(3)

则应变速率敏感性指数m可表示为：

(4)

图2　β-CEZ钛合金热模拟压缩时的曲线图(ε=0.1)Fig.2　Plots of lg σ vs. lg in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy at a strain of 0.1

将式(4)代入式(2)经变形整理可得：

(5)

2　结果与讨论

2.1应变对能量耗散率的影响

将计算得到的不同变形温度和应变速率条件下的能量耗散率按照应变0.2、0.3、0.4、0.5和0.6分别进行整理作图，则应变对β-CEZ钛合金等温压缩变形时能量耗散率的影响如图3所示。由图3a、3c、3d、3e可以看出，低应变速率下，即应变速率为0.01 s-1时，能量耗散率随着应变的增大呈下降趋势。而高应变速率0.1 s-1和1.0 s-1时，其对应的能量耗散率却呈略微上升趋势。由图3a、3b、3c、3e可以看出，不同应变下，较低应变速率对应的能量耗散率基本上都高于较高应变速率对应的能量耗散率。即应变一定时，随着应变速率的增大能量耗散率反而减小。此外，不同温度条件下，应变对低应变速率0.01s-1时的能量耗散率影响显著，从图中可以看到曲线有明显的变化，而对高应变速率0.1 s-1

图3　β-CEZ钛合金热模拟压缩变形时应变对能量耗散率的影响Fig.3　The effect of strain on the efficiency of power dissipation in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy

和1.0 s-1的能量耗散率影响较小，曲线变化不明显。能量耗散率峰值对应的工艺参数是实验范围内β-CEZ钛合金等温压缩变形的最佳工艺参数。变形温度为850、900和1 000 ℃，应变速率为0.01 s-1时，能量耗散率的峰值均大于0.45。Prasad和Sasidhara[8]指出，能量耗散率大于0.45的区域一般会出现超塑性。因此，β-CEZ钛合金在该工艺参数下锻造时，锻造性能会最好。

2.2应变对非稳定参数的影响

将计算得到的β-CEZ钛合金在不同变形温度和应变速率条件下的非稳定参数,按照应变0.2、0.3、0.4、0.5和0.6分别进行整理作图，则应变对β-CEZ钛合金等温压缩变形时非稳定参数的影响如图4所示。

图4　β-CEZ钛合金热模拟压缩变形时应变对非稳定参数的影响Fig.4　The effect of strain on the instability parameter in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy

从图4中可以看出：应变速率为0.01 s-1时，在整个变形温度范围内非稳定参数都随着应变的增大而增大，而且变化比较明显；应变速率为0.1 s-1时，不同变形温度下，非稳定参数随着应变的增大变化趋势不完全相同。只有温度为800、900和1 000 ℃时，非稳定参数随着应变的增大而增大；应变速率为1.0 s-1时，在整个变形温度范围内非稳定参数都随着应变的增大而减小，而且变化明显。总之，应变对各应变速率下的非稳定参数影响显著。由图4a、4d、4e还可以看出，低应变速率对应的非稳定参数大于高应变速率对应的非稳定参数，即应变一定时，非稳定参数随着应变速率的增大而减小。此外，应变速率为0.01 s-1时，对应的非稳定参数在不同变形温度和应变下都是正值，这意味着在0.01 s-1应变速率下进行塑性变形都是安全的。所以，锻造β-CEZ钛合金时，应尽量选择在0.01 s-1的应变速率下进行，从而保证锻件组织均匀、性能稳定，实现塑性变形的最优控制。

2.3应变对热加工图的影响

不同应变下，β-CEZ钛合金热加工图的变化如图5所示。由图5可以看出：随着应变的增大，β-CEZ钛合金能量耗散率对应的等值线越来越密集，高能量耗散率对应的区域逐渐减小，而非稳定变形区越来越大，由小应变时的两个非稳定变形区变为贯穿整个温度范围的一个大非稳定变形区。锻造时，应避开非稳定变形区。如果在非稳定变形区内进行锻造，微观组织可能会出现各种不利的缺陷，如空洞、楔形裂纹、绝热剪切带等。

此外，通过图5还发现,在不同应变下，当应变速率为0.01～0.018 s-1，变形温度为820～920 ℃时，能量耗散率峰值都大于0.45，并且没有发生塑性失稳。这与之前对能量耗散率和非稳定参数的分析是对应的。由前文分析可知：当应变速率为0.01 s-1，变形温度为850、900 ℃时，不同应变下能量耗散率的峰值都大于0.45；而且应变速率为0.01 s-1时，在整个变形温度和应变范围内，非稳定参数都大于0。在该范围内进行锻造，β-CEZ钛合金可能会出现超塑性。

图5　应变对β-CEZ钛合金热加工图的影响Fig.5　The effect of strain on the processing map in the isothermal compression of β-CEZ titanium alloy at different strains

图6为β-CEZ钛合金在温度850 ℃、应变速率0.01 s-1条件下锻造后的显微组织及原始组织[9]。对比图6a和6b可以看出，锻造后原始α相发生了部分球化。进一步说明应变速率为0.01～0.018 s-1、变形温度为820～920 ℃的参数范围比较适合β-CEZ钛合金的锻造。

图6　β-CEZ钛合金的原始组织及锻态组织(T=850 ℃,Fig.6　Original micrstructure and deformed microstructure of β-CEZ titanium alloy at T=850 ℃,=0.01 s-1

3　结　论

(1)β-CEZ 钛合金热压缩变形时，应变对低应变速率下的能量耗散率影响显著，而对高应变速率下的能量耗散率影响较小。应变一定时，低应变速率对应的能量耗散率大于高应变速率对应的能量耗散率。当变形温度为850、900和1 000 ℃，应变速率为0.01 s-1时，不同应变下能量耗散率的峰值均大于0.45。

(2)应变对各应变速率下的非稳定参数影响显著。应变速率为0.01 s-1时，在整个变形温度范围内非稳定参数都随着应变的增大而增大；应变速率为1.0 s-1时，在整个变形温度范围内非稳定参数都随着应变的增大而减小。并且，应变速率为0.01 s-1时，对应的非稳定参数在不同变形温度和应变下都是正值，这意味着在0.01 s-1应变速率下进行塑性变形都是安全的。

(3)随着应变的增大，能量耗散率对应的等值线越来越密集，高能量耗散率对应的区域逐渐减小，而非稳定变形区越来越大。并且，不同应变下，应变速率为0.01～0.018 s-1，变形温度为820～920 ℃时，能量耗散率都大于0.45且没有发生塑性失稳。

[1]黄金昌.β-CEZ钛合金的加工性能和应用[J].钛工业进展，1996(5)：34-36.

[2]Peters J O，Lütjering G，Koren M，et al.Processing，microstructure，and properties ofβ-CEZ[J].Materials Science & Engineering A，1996，213：71-80.

[3]Sukumar G，Bhav Singh B，Bhattacharjee Amit，et al.Ballistic impact behaviour ofβ-CEZ Ti alloy against 7.62 mm armour piercing projectiles[J].International Journal of Impact Engineering，2013，54：149-160.

[4]Ponsonnet L，Quesne C，Penelle R.Microstructure and creep deformation of a near beta titanium alloy‘β-CEZ’[J].Materials Science & Engineering A，1999，262：50-63.

[5]Grosdidier T，Roubaud C，Philippe M J，et al.The deforma-tion mechanisms in theβ-metastableβ-CEZ titanium alloy[J].Scripta Materialia，1997，36(1)：21-28.

[6]Prasad Y V R K，Gegel H L，Doraivelu S M，et al.Modeling of dynamic material behavior in hot deformation：forging of Ti-6242[J].Metallurgical Transactions A，1984，15(10)：1883-1892.

[7]Ziegler H.Progress in Solid Mechanics[M].New York：John Wiley and Sons，1963：93-193.

[8]Prasad Y V R K，Sasidhara S.Hot working guide：a compendium processing maps[J].Metals park: American Society for Metals，1997：3-97.

[9]张思远，毛小南，戚运莲，等.β-CEZ钛合金的热变形行为及加工图[J].稀有金属材料与工程，2015，44(3)：168-170.

Study of Effect of Strain on the Processing Map of β-CEZ Titanium Alloy

Sun Huamei1, Qi Yunlian1, Liu Wei1, Zhang Siyuan1, 2, Mao Xiaonan1

(1.Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China)(2.Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

The processing maps ofβ-CEZ titanium alloy have been established based on the Dynamic Materials Model (DMM) and isothermal compression experiment.In this paper, the effect of strain on the processing map is investigated from the aspects of power dissipation efficiency, unstable parameter and unstable deformation region.The results show that the contour of efficiency of power dissipation becomes more and more intensive, and the region responding to the high value of efficiency of power dissipation decreases with the increasing of strain.Meanwhile, the unstable region increases and becomes to a large region throughout the whole deformation temperature range at the higher strain.Under different strains, the values of efficiency of power dissipation are greater than 0.45 without unstable flow at the strain rates of 0.01～0.018 s-1,and the deformation temperatures of 820～920 ℃.They are the most suitable processing parameters forβ-CEZ titanium alloy forging.

β-CEZ titanium alloy; strain; processing map

2015-12-21

孙花梅(1988—)，女，助理工程师。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)03-0024-06