热力参数对TC16钛合金应力应变及变形组织的影响

【摘要】在Thermecmater-Z热加工模拟实验机上对TC16钛合金进行热态压缩实验，变形温度和应变速率范围分别为700℃～950℃和1s-1和5s-1。根据压缩实验结果，绘制出了不同变形温度、不同应变速率下的应力-应变关系曲线，并分析了变形温度、应变速率和变形程度对TC16钛合金变形组织的影响。

【关键词】TC16钛合金；流变应力；变形组织

引言

TC16钛合金是一种马氏体型α+β两相钛合金，含有稳定的α稳定元素Al和同晶β稳定元素Mo和V。TC16钛合金具有较高的强度、塑性，良好的抗疲劳、焊接等性能，广泛应用于航天航空等领域的紧固用构件。对于强度要求较高的TC16钛合金紧固构件，一般需要进行热加工，而热加工参数的选择对合金的成形性能及显微组织有着重要的影响。因此本文主要研究TC16钛合金在不同变形温度和变形量下，显微组织的变化情况，可为相关热加工工艺提供理论参考。

1实验材料和方法

实验材料为TC16钛合金，该合金的α+β→β转变温度（β相变点）为860±20℃。将TC16钛合金加工成Φ8mm×12mm圆柱体试样，热模拟压缩实验在Thermecmater-Z型热加工模拟实验机上进行，试样两端刻有0.2mm深的凹槽，用来储存玻璃粉润滑剂以减少磨擦。实验采用真空感应加热，升温速率为10℃/s，加热至设定温度后保温210s，压缩变形后采用氦气快速冷却至室温。高温压缩实验方案如下：变形温度：700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃；变形量：40%；应变速率为1s-1和5s-1。

2实验结果与讨论

2.1应力应变曲线分析

图1为TC16钛合金在不同温度和应变速率压缩的应力-应变曲线。当变形温度一定时，应变速率越高，流动应力越大。当温度在700℃～850℃之间时，在所有应变速率下，应力-应变曲线基本上为应变软化型，也就是说，流动应力在较小的应变下（<0.05）达到峰值后随应变的继续增加而下降，下降的趋势逐渐平缓，最后在某个应变附近趋于一定值这是因为在变形的初始阶段，可能是由于大量可动位错从晶界突然增殖，导致变形从晶界向晶内扩展引起的，而随后的稳态流动则表明位错增殖引起的应变硬化和位错的相互销毁及重排引起的软化之间达到动态平衡。当温度大于和等于850℃时，应力-应变曲线为稳态流动型。

（a）应变速率为1s-1

（b）应变速率为5s-1

图1TC16合金在不同应变速率及温度变形下的应力应变曲线

2.2热力参数对TC16钛合金变形组织的影响

如图2所示，可知，在温度750℃变形时，在较低变形速率1s-1下，变形时间长，α与β之间的相界模糊不清，与应变速率较高的5s-1相比，α相晶粒的体积分数含量较高，α+β相分布较均匀，但是总体来看区别不是很大。在850℃时动态再结晶已经开始，等轴状的动态再结晶组织在β晶界处产生，两应变速率对变形组织相变的影响主要表现在高应变速率时较均匀围绕着β原始晶粒周围的动态再结晶晶粒组织，动态再结晶程度较高。在β相变点以上的950℃时，变形组织均为β相，且β晶粒发生了明显的动态再结晶。从两个温度的不同应变速率下的组织相比较，应变速率较高的β晶粒中所含板条马氏体的量较低应变速率下的高且细。但高的应变速率会影响动态再结晶晶粒的尺寸，变形速率越高动态再结晶晶粒尺寸越小。（a）750℃，1s-1（b）850℃，1s-1

（c）950℃，1s-1（d）750℃，5s-1

（e）850℃，5s-1（f）850℃，5s-1

圖2不同变形温度及不同应变速率下的TC16钛合金变形组织

3结论

（1）TC16钛合金在高温压缩变形时流动应力在较小的应变下（<0.05）达到峰值后随应变的继续增加而下降，下降的趋势逐渐平缓，最后在某个应变附近趋于一定值，并当压缩应变超过一定值时，真应力并不随应变量的继续增大而发生明显变化；

（2）TC16钛合金在变形温度达到850℃时，可以观察到合金发生了动态再结晶，动态再结晶晶粒尺寸随变形温度的增加而增大，随应变速率的增大而减小。

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基金项目：

2016年度浙江广厦建设职业技术学院院级课题“TC16钛合金热变形微观组织演变研究”（项目编号：16ZR006）。

作者简介：

余新平，男，硕士，主要从事金属强韧化技术及仿真模拟研究。