基于Ti80合金對(duì)其變形溫度和應(yīng)變速率的研究

劉 俊，楊繼明，王 娜

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

Ti80合金是我國(guó)科學(xué)院自行研發(fā)并制造出的鈦合金，其力學(xué)性能相當(dāng)于國(guó)外的Ti6Al2Nb1Ta0.8Mo合金[1]，先后研制出許多牌號(hào)的船用系列鈦合金及其船舶鈦制產(chǎn)品[2]，廣泛應(yīng)用于船舶的受力結(jié)構(gòu)、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(guò)添加Al、Nb、Zr和Mo等合金元素來(lái)提高鈦合金的各項(xiàng)性能從而達(dá)到強(qiáng)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(xué)性能不夠穩(wěn)定。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本次實(shí)驗(yàn)采用的是Ti80合金，采用線切割技術(shù)將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，其直徑為8mm,高度為12mm，Ti80合金的主要化學(xué)成分如表1所示。熱力模擬試驗(yàn)機(jī)采用Gleeble-1500D。

表1 Ti80合金的主要化學(xué)成分

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

Ti80合金在不同溫度和不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖可知，在壓縮的初始階段，Ti80合金發(fā)生了加工硬化，在圖中表現(xiàn)為在應(yīng)變量從零開(kāi)始時(shí)，應(yīng)力隨著應(yīng)變量的緩慢增長(zhǎng)快速增加，該過(guò)程嚴(yán)格遵循胡克定理。隨著應(yīng)變量的逐步增大，應(yīng)力增加也隨之出現(xiàn)“峰值”，之后應(yīng)力開(kāi)始下降，下降幅度越來(lái)越小，應(yīng)力也逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。真應(yīng)力-應(yīng)變圖出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在材料應(yīng)變量較小時(shí)，對(duì)應(yīng)力影響較大的是加工硬化，隨著材料應(yīng)變量的逐漸增大，合金中晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶逐漸成為影響應(yīng)力的關(guān)鍵因素。從圖1中可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率和應(yīng)變量一定時(shí)，增加變形溫度，應(yīng)力反而下降；當(dāng)應(yīng)變量和應(yīng)變溫度一定時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)力逐漸增大。

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

真應(yīng)力-應(yīng)變圖中不同溫度的應(yīng)力曲線是加工硬化，晶粒的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶共同作用的結(jié)果。壓縮的初始階段，在外界壓力的作用下，合金發(fā)生加工硬化，導(dǎo)致應(yīng)力呈直線增長(zhǎng)。外加壓力逐漸加大，材料應(yīng)變量也逐漸變大，材料內(nèi)部位錯(cuò)密度也逐漸增大，位錯(cuò)密度的增大，造成位錯(cuò)的塞積，促使胞狀組織的產(chǎn)生，同時(shí)異號(hào)位錯(cuò)之間的相互抵消，最終導(dǎo)致材料軟化，從而使應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢。

當(dāng)變形速率一定時(shí)，隨著變形溫度的增大，材料中晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的時(shí)間會(huì)大大縮短，而且發(fā)生時(shí)間也會(huì)提前到來(lái)，因此產(chǎn)生的軟化作用也就越大，故此變形溫度越高，在相同應(yīng)變量的情況下應(yīng)力值越小。因?yàn)榫Я?dòng)態(tài)再結(jié)晶的提前，變形溫度越高，應(yīng)力曲線越早趨于平緩。當(dāng)變形溫度達(dá)到1000℃左右時(shí)，Ti80合金的微觀組織中會(huì)有層片狀組織產(chǎn)生，而且隨著變形速率的增大，層片狀組織的含量會(huì)逐漸增多。層片狀組織的產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)硬度降低，塑韌性增大，使材料的應(yīng)力急速下降，在真應(yīng)力-應(yīng)變圖中表現(xiàn)為相同應(yīng)變速率和相同變形量下，變形溫度為1000℃的應(yīng)力比變形溫度為950℃時(shí)的應(yīng)力小的多，兩條應(yīng)力曲線中間有較大的空隙，這這種情況還會(huì)隨著應(yīng)變速率的增大而變得越來(lái)越明顯。

3 結(jié)論

Ti80合金在熱模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，變形溫度和應(yīng)變速率的改變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力發(fā)生極大的變化。當(dāng)應(yīng)變速率和應(yīng)變量一定時(shí)，增加變形溫度，應(yīng)力反而下降；當(dāng)應(yīng)變量和應(yīng)變溫度一定時(shí)，隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)力逐漸增大。