基于DEFORM-3D模擬分析鈦合金楔橫軋微觀組織演變規律

趙志龍，徐 強，萬文璐，丁 睿

（寧波工程學院國際交流學院，浙江 寧波 315211）

引言

鈦合金優點突出，是工業中常用的金屬材料之一，常常被人們稱為“未來金屬”[1-2]。目前，有二三十種鈦合金被應用在工業和生產中，常見的有：Ti6Al4V、Ti6Al4VELI、Ti32Mo、Ti1053、BT20、IMI834等。Ti6Al4V的使用量最大，占了所有鈦合金的60%~70%左右。Ti6Al4V在我國也被稱為TC4，具有良好的綜合性能，其成形性和焊接性都較好[3]。鈦合金不僅性能優良，而且密度小，用于航天航空、車輛等產品上能夠降低產品重量、節省能耗。

楔橫軋加工成形技術是近凈成形軸類零件的方式之一，相比傳統的機加工和鍛造加工具有更高的生產效率和更低的加工成本，材料的利用率也大大提高了[4-6]。鈦合金軸類件楔橫軋加工的工藝參數對微觀組織影響決定了零件的微觀質量和使用性能，因此對其微觀組織進行探究是非常必要的。

1 TC4鈦合金本構方程與動態再結晶方程

1.1 TC4鈦合金動態再結晶方程

TC4鈦合金存中存在β單相區和α+β雙相區，本文根據文獻[7]建立了兩種相區的本構方程，具體參數如下：

α+β兩相區：

β單相區：

1.2 TC4鈦合金動態再結晶方程

本文應用了DEFORM-3D有限元軟件Avrami模型中材料的本構模型，分別建立了TC4鈦合金兩種相區的動態再結晶模型[7]。

α+β兩相區：

β單相區：

式中：εc為動態再結晶臨界應變；εp為流變應力曲線的峰值應力，MPa；為塑性應變速率（s-1）；Xdrex為動態再結晶影響系數；ε為真應變；ε0.5為動態再結晶體積分數達到50%時的應變；ddrex為動態再結晶晶粒尺寸，μm；R為摩爾氣體常數，取8.314 J/mol·K；T絕對溫度，K。

2 α+β相區動態再結晶體積分數模擬分析

2.1 α+β相區模擬工藝參數

通過調整初始加熱溫度、軋制速度和斷面收縮率，在DEFORM-3D軟件中模擬探究各工藝參數下動態再結晶體積分數的演變規律。工序參數下頁如表1所示。

表1 α+β相區模擬工藝參數表

2.2 α+β兩相區軋制溫度的影響

圖1所示為不同初始溫度下，動態再結晶體積分數模擬結果。初始溫度在850℃、900℃和950℃下，精整段的軋制區都產生了動態再結晶。對比不同溫度下，軋件端部動態再結晶情況，可以發現隨著軋制溫度升高，動態再結晶體積分數越高，動態再結晶越充分。

2.3 α+β相區軋制速度的影響

圖2所示為不同軋制速度下，動態再結晶體積分數模擬結果。對比模擬結果可以看出，不同軋制速度下，精整段的軋制區都產生了動態再結晶，但端部的中心動態再結晶不充分。對比不同軋制速度下軋件端部動態再結晶情況，可以發現隨著軋制速度的加快，動態再結晶體積分數越低，動態再結晶越不充分。

2.4 α+β相區斷面收縮率的影響

圖3 所示為不同斷面收縮率下，動態再結晶體積分數模擬結果。對比模擬結果可以看出，不同斷面收縮率下，精整段的軋制區都產生了動態再結晶。軋件端部中心隨著斷面收縮率的增大，動態再結晶體積分數不斷增大。

3 β單相區軋制微觀組織分析

3.1 相區模擬工藝參數確定

在不同的初始溫度、軋制速度和斷面收縮率下，在β相區模擬探究晶粒尺寸的變化。β相區與α+β相區的微觀組織明顯不同，具有等軸β晶組織，因此在β單相區對晶粒尺寸進行模擬分析更有意義，具體工藝參數如表2所示。

表2 單相區模擬工藝參數表

3.2 β單相區軋制溫度的影響

下頁圖4所示為不同初始溫度下，平均晶粒尺寸模擬結果。在不同溫度下，軋制精整區的晶粒都比端部小，且隨著初始溫度的升高，晶粒的尺寸就越大。

3.3 β單相區軋制速度的影響

下頁圖5所示為不同軋制速度下，平均晶粒尺寸模擬結果。對比軋件精整段晶粒平均大小可以看出，隨著軋制速度的提高，軋件平均晶粒尺寸不斷減小。

3.4 β單相區斷面收縮率對晶粒尺寸的影響

圖6所示為不同斷面收縮率下，平均晶粒尺寸模擬結果。對比軋件精整段晶粒平均大小可以看出，隨著斷面收縮率的增大，軋件平均晶粒尺寸不斷減小。

4 軋制實驗

本文通過對比α+β雙相區內不同初始溫度下軋制實驗與DEFORM-3D有限元模擬結果，驗證數值模擬的可靠性。對比軋制實驗中不同溫度下金相圖發現，隨著溫度升高，初生a從塊狀連接變為獨立的等軸狀晶粒，初生a含量也明顯減少，說明隨著軋制初始溫度的升高，動態再結晶越充分。軋制實驗與數值模擬結論相同，進一步驗證了有限元模擬結果的可靠性。軋件金相圖如圖7所示。

5 結論

1）在α+β雙相區內，隨著初始軋制溫度的升高，能量增加，導致模擬結果顯示的動態再結晶體積分數相應越大；隨著軋制速度的加快，軋制時間縮短，導致模擬結果顯示的動態再結晶體積分數相應減?。浑S著斷面收縮率的增大，材料形變增加，導致模擬結果顯示的動態再結晶體積分數相應增大。

2）在β單相區內，隨著初始軋制溫度的升高，能量增加，促進了模擬結果的晶粒尺寸相應增大；隨著軋制速度的加快，使得動態再結晶晶粒形核以后沒有足夠的時間長大，導致模擬結果顯示的晶粒尺寸相應減小；隨著斷面收縮率的增大，晶粒更容易破碎，導致模擬結果顯示的晶粒尺寸相應減小。