TiB95 合金热压缩流变应力研究

2022-11-22杨青云吕光辉

锻压装备与制造技术 2022年5期

关键词：激活能本构峰值

杨青云，李冲，2，吕光辉，韩广

（1.中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳 471023；2.先进钛及钛合金材料技术国家地方联合工程研究中心，河南洛阳 471023）

0 引言

TiB95 合金是一种近α 型钛合金，通过α 稳定元素铝的固溶强化，并加入少量中性元素锆以及β稳定元素钼强化合金。TiB95 合金具有中等室温和高温强度、良好的热稳定性和焊接性能，被广泛应用于航空航天、船舶、石油化工等领域[1-4]。

本研究以TiB95 合金的热模拟压缩实验结果为基础，研究变形工艺参数对TiB95 合金高温变形时流动应力的影响，为合理地制定TiB95 合金的热加工成型工艺提供依据。

1 实验材料与方法

实验材料为φ610mm 的TiB95 钛合金铸锭，属于Al-Mo-Zr-V 系屈服强度800MPa 级中强高韧钛合金材料。采用差热分析法测得TiB95 钛合金相变点为980℃。试验设备型号为Gleeble 3500，试样尺寸为ø10×15 mm，试样两端面加工贮存高温保护润滑剂的浅槽，槽深0.2mm，提高试样与设备之间的润滑效果。试验的升温速度为10℃/s，到温后保温5min 以消除温度梯度；压缩实验完成后对试样立即采用水淬处理。试验数据由系统自动采集、计算和修正，试验结果以数据表格和图形方式给出。试验的温度为（℃）：850、900、950、1000、1050；试验的应变速率为（s-1）：0.01、0.1、1、10；变形量均为60%。

2 试验结果与分析

2.1 应力应变曲线

变形温度和应变速率对TiB95 合金高温压缩变形时流动应力的影响如图1 所示。由图可知，虽然TiB95 合金的热压缩变形参数不同，但是流变曲线变化趋势相似，都具有加工硬化、动态回复与动态再结晶的特征。在相同的应变速率下，流变应力随着变形温度的升高而降低；而在相同的变形温度下，流变应力随着应变速率的减小而降低。变形开始阶段，变形引起大量位错增殖与累积，加工硬化现象显著，随着变形的继续，流动应力急剧增加到峰值[5]，此阶段加工硬化占主导地位，同时伴随位错的攀移、交滑移等形式的动态回复软化机制，动态回复效果相对较弱；变形继续增加时，合金无法通过动态回复消除的位错积累下来，变形到一定程度，引起动态再结晶的形核及长大，有效降低位错密度[6]，从而使流动应力出现下降趋势。随着动态再结晶和动态回复的进行，同时加工硬化效果逐渐减弱，当动态软化效果与加工硬化阶段位错相抵消时，材料出现稳态流动趋势[7]。

图1 不同应变速率下TiB95 合金热压缩变形真应力-真应变曲线

2.2 热变形流变应力本构方程

金属的高温变形是一个热激活过程，高温变形过程取决于温度和应变速率[8]。描述热变形时变形温度T 和应变速率ε˙对流变应力的影响，可用双曲正弦Arrhenius 方程对实验数据采用统计分析并建立其本构方程[9-10]，即：

式（1）可以根据较低应力水平和较高应力水平简化式（2）和式（3）[11-12]。

式中：R 为摩尔气体常数，取值8.314J/（mol·K）；Q 为高温形变激活能，J·mol-1；n 为应力指数，并有n=β/α；A、A1、A2、n1、β 为与材料有关的常数。

不同变形条件下等温热压缩实验得到的流动应力-应变数据，可以用于确定本构关系中的材料常数，下面以峰值应力为例求解本构关系中的材料常数和本构方程。TiB95 合金在不同变形条件下的峰值应力如表1 所示。

表1 合金在850-1050℃区间不同热变形条件下的峰值应力（σp/MPa）

根据本构方程模型，求解与TiB95 合金合金相关的参数n、β、α。对式（2）和式（3）两边取对数并整理得

图2 是ε˙=0.01～10s-1的范围内，用不同温度下TiB95 合金的峰值应力分别绘制的lnε˙～σ、lnε˙～lnσ的变化关系图，然后利用origin 数据处理软件分别对图中各组数据点进行线性回归处理，以求得其斜率，如图2a、2b 所示。

图2a 对数应变速率与应力的关系、对数应变速率与对数应力的关系满足近似线性关系；根据式（4），取图2a 中高应力状态下，850～950℃下的三条拟合直线斜率的平均值可得β 值：β=0.0481；根据式（5），取图2b 中低应力状态下，950～1050℃下的三条拟合直线斜率的平均值可得n1值：n1=5.07；所以α=β/n1=0.0095。