基于Ti80合金對其變形溫度和應變速率的研究

劉 俊，楊繼明，王 娜

（1.重慶機電智能制造有限公司，重慶 401121；2.重慶川儀自動化股份有限公司執行器分公司，重慶 401121）

Ti80合金是我國科學院自行研發并制造出的鈦合金，其力學性能相當于國外的Ti6Al2Nb1Ta0.8Mo合金[1]，先后研制出許多牌號的船用系列鈦合金及其船舶鈦制產品[2]，廣泛應用于船舶的受力結構、深海潛水器的外部抗壓的殼層及艦艇上焊接部位的用材。Ti80是一種近α型鈦合金，其成分為Ti-6Al-3Nb-2Zr-Mo[3]，通過添加Al、Nb、Zr和Mo等合金元素來提高鈦合金的各項性能從而達到強化合金的目地。但是Ti80合金也有自身的缺陷，它組織均勻性不易控制且塑性較差難以變形，因此力學性能不夠穩定。

1 實驗材料與方法

本次實驗采用的是Ti80合金，采用線切割技術將試樣加工成標準的圓柱體，其直徑為8mm,高度為12mm，Ti80合金的主要化學成分如表1所示。熱力模擬試驗機采用Gleeble-1500D。

表1 Ti80合金的主要化學成分

2 試驗結果與分析

Ti80合金在不同溫度和不同應變速率下的真應力-應變曲線如圖1所示。由圖可知，在壓縮的初始階段，Ti80合金發生了加工硬化，在圖中表現為在應變量從零開始時，應力隨著應變量的緩慢增長快速增加，該過程嚴格遵循胡克定理。隨著應變量的逐步增大，應力增加也隨之出現“峰值”，之后應力開始下降，下降幅度越來越小，應力也逐漸趨于平穩狀態。真應力-應變圖出現這種現象的原因是在材料應變量較小時，對應力影響較大的是加工硬化，隨著材料應變量的逐漸增大，合金中晶粒發生動態回復和再結晶逐漸成為影響應力的關鍵因素。從圖1中可以看出，當應變速率和應變量一定時，增加變形溫度，應力反而下降；當應變量和應變溫度一定時，隨著應變速率的增加，應力逐漸增大。

圖1 不同變形條件下Ti80合金的真應力-應變曲線（a）0.001s-1；（b）0.05s-1；（c）0.1s-1；（d）0.5s-1；（e）1s-1

真應力-應變圖中不同溫度的應力曲線是加工硬化，晶粒的動態回復和動態再結晶共同作用的結果。壓縮的初始階段，在外界壓力的作用下，合金發生加工硬化，導致應力呈直線增長。外加壓力逐漸加大，材料應變量也逐漸變大，材料內部位錯密度也逐漸增大，位錯密度的增大，造成位錯的塞積，促使胞狀組織的產生，同時異號位錯之間的相互抵消，最終導致材料軟化，從而使應力增長緩慢。

當變形速率一定時，隨著變形溫度的增大，材料中晶粒發生動態回復和動態再結晶的時間會大大縮短，而且發生時間也會提前到來，因此產生的軟化作用也就越大，故此變形溫度越高，在相同應變量的情況下應力值越小。因為晶粒動態再結晶的提前，變形溫度越高，應力曲線越早趨于平緩。當變形溫度達到1000℃左右時，Ti80合金的微觀組織中會有層片狀組織產生，而且隨著變形速率的增大，層片狀組織的含量會逐漸增多。層片狀組織的產生，會導致材料的強硬度降低，塑韌性增大，使材料的應力急速下降，在真應力-應變圖中表現為相同應變速率和相同變形量下，變形溫度為1000℃的應力比變形溫度為950℃時的應力小的多，兩條應力曲線中間有較大的空隙，這這種情況還會隨著應變速率的增大而變得越來越明顯。

3 結論

Ti80合金在熱模擬實驗過程中，變形溫度和應變速率的改變會導致應力發生極大的變化。當應變速率和應變量一定時，增加變形溫度，應力反而下降；當應變量和應變溫度一定時，隨著應變速率的增加，應力逐漸增大。