熱力參數(shù)對(duì)TC16鈦合金應(yīng)力應(yīng)變及變形組織的影響

【摘要】在Thermecmater-Z熱加工模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)TC16鈦合金進(jìn)行熱態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，變形溫度和應(yīng)變速率范圍分別為700℃～950℃和1s-1和5s-1。根據(jù)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制出了不同變形溫度、不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，并分析了變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度對(duì)TC16鈦合金變形組織的影響。

【關(guān)鍵詞】TC16鈦合金；流變應(yīng)力；變形組織

引言

TC16鈦合金是一種馬氏體型α+β兩相鈦合金，含有穩(wěn)定的α穩(wěn)定元素Al和同晶β穩(wěn)定元素Mo和V。TC16鈦合金具有較高的強(qiáng)度、塑性，良好的抗疲勞、焊接等性能，廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域的緊固用構(gòu)件。對(duì)于強(qiáng)度要求較高的TC16鈦合金緊固構(gòu)件，一般需要進(jìn)行熱加工，而熱加工參數(shù)的選擇對(duì)合金的成形性能及顯微組織有著重要的影響。因此本文主要研究TC16鈦合金在不同變形溫度和變形量下，顯微組織的變化情況，可為相關(guān)熱加工工藝提供理論參考。

1實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為TC16鈦合金，該合金的α+β→β轉(zhuǎn)變溫度（β相變點(diǎn)）為860±20℃。將TC16鈦合金加工成Φ8mm×12mm圓柱體試樣，熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)在Thermecmater-Z型熱加工模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣兩端刻有0.2mm深的凹槽，用來儲(chǔ)存玻璃粉潤(rùn)滑劑以減少磨擦。實(shí)驗(yàn)采用真空感應(yīng)加熱，升溫速率為10℃/s，加熱至設(shè)定溫度后保溫210s，壓縮變形后采用氦氣快速冷卻至室溫。高溫壓縮實(shí)驗(yàn)方案如下：變形溫度：700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃；變形量：40%；應(yīng)變速率為1s-1和5s-1。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

圖1為TC16鈦合金在不同溫度和應(yīng)變速率壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。當(dāng)變形溫度一定時(shí)，應(yīng)變速率越高，流動(dòng)應(yīng)力越大。當(dāng)溫度在700℃～850℃之間時(shí)，在所有應(yīng)變速率下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本上為應(yīng)變軟化型，也就是說，流動(dòng)應(yīng)力在較小的應(yīng)變下（<0.05）達(dá)到峰值后隨應(yīng)變的繼續(xù)增加而下降，下降的趨勢(shì)逐漸平緩，最后在某個(gè)應(yīng)變附近趨于一定值這是因?yàn)樵谧冃蔚某跏茧A段，可能是由于大量可動(dòng)位錯(cuò)從晶界突然增殖，導(dǎo)致變形從晶界向晶內(nèi)擴(kuò)展引起的，而隨后的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)則表明位錯(cuò)增殖引起的應(yīng)變硬化和位錯(cuò)的相互銷毀及重排引起的軟化之間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)溫度大于和等于850℃時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)型。

（a）應(yīng)變速率為1s-1

（b）應(yīng)變速率為5s-1

圖1TC16合金在不同應(yīng)變速率及溫度變形下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2熱力參數(shù)對(duì)TC16鈦合金變形組織的影響

如圖2所示，可知，在溫度750℃變形時(shí)，在較低變形速率1s-1下，變形時(shí)間長(zhǎng)，α與β之間的相界模糊不清，與應(yīng)變速率較高的5s-1相比，α相晶粒的體積分?jǐn)?shù)含量較高，α+β相分布較均勻，但是總體來看區(qū)別不是很大。在850℃時(shí)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶已經(jīng)開始，等軸狀的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織在β晶界處產(chǎn)生，兩應(yīng)變速率對(duì)變形組織相變的影響主要表現(xiàn)在高應(yīng)變速率時(shí)較均勻圍繞著β原始晶粒周圍的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒組織，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度較高。在β相變點(diǎn)以上的950℃時(shí)，變形組織均為β相，且β晶粒發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。從兩個(gè)溫度的不同應(yīng)變速率下的組織相比較，應(yīng)變速率較高的β晶粒中所含板條馬氏體的量較低應(yīng)變速率下的高且細(xì)。但高的應(yīng)變速率會(huì)影響動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒的尺寸，變形速率越高動(dòng)態(tài)再結(jié)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不同變形溫度及不同應(yīng)變速率下的TC16鈦合金變形組織

3結(jié)論

（1）TC16鈦合金在高溫壓縮變形時(shí)流動(dòng)應(yīng)力在較小的應(yīng)變下（<0.05）達(dá)到峰值后隨應(yīng)變的繼續(xù)增加而下降，下降的趨勢(shì)逐漸平緩，最后在某個(gè)應(yīng)變附近趨于一定值，并當(dāng)壓縮應(yīng)變超過一定值時(shí)，真應(yīng)力并不隨應(yīng)變量的繼續(xù)增大而發(fā)生明顯變化；

（2）TC16鈦合金在變形溫度達(dá)到850℃時(shí)，可以觀察到合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸隨變形溫度的增加而增大，隨應(yīng)變速率的增大而減小。

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基金項(xiàng)目：

2016年度浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題“TC16鈦合金熱變形微觀組織演變研究”（項(xiàng)目編號(hào)：16ZR006）。

作者簡(jiǎn)介：

余新平，男，碩士，主要從事金屬?gòu)?qiáng)韌化技術(shù)及仿真模擬研究。