TiB95 合金熱壓縮流變應力研究

楊青云，李 沖，2，呂光輝，韓 廣

（1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023；2.先進鈦及鈦合金材料技術國家地方聯合工程研究中心，河南 洛陽 471023）

0 引言

TiB95 合金是一種近α 型鈦合金，通過α 穩定元素鋁的固溶強化，并加入少量中性元素鋯以及β穩定元素鉬強化合金。TiB95 合金具有中等室溫和高溫強度、良好的熱穩定性和焊接性能，被廣泛應用于航空航天、船舶、石油化工等領域[1-4]。

本研究以TiB95 合金的熱模擬壓縮實驗結果為基礎，研究變形工藝參數對TiB95 合金高溫變形時流動應力的影響，為合理地制定TiB95 合金的熱加工成型工藝提供依據。

1 實驗材料與方法

實驗材料為φ610mm 的TiB95 鈦合金鑄錠，屬于Al-Mo-Zr-V 系屈服強度800MPa 級中強高韌鈦合金材料。采用差熱分析法測得TiB95 鈦合金相變點為980℃。試驗設備型號為Gleeble 3500，試樣尺寸為?10×15 mm，試樣兩端面加工貯存高溫保護潤滑劑的淺槽，槽深0.2mm，提高試樣與設備之間的潤滑效果。試驗的升溫速度為10℃/s，到溫后保溫5min 以消除溫度梯度；壓縮實驗完成后對試樣立即采用水淬處理。試驗數據由系統自動采集、計算和修正，試驗結果以數據表格和圖形方式給出。試驗的溫度為（℃）：850、900、950、1000、1050；試驗的應變速率為（s-1）：0.01、0.1、1、10；變形量均為60%。

2 試驗結果與分析

2.1 應力應變曲線

變形溫度和應變速率對TiB95 合金高溫壓縮變形時流動應力的影響如圖1 所示。由圖可知，雖然TiB95 合金的熱壓縮變形參數不同，但是流變曲線變化趨勢相似，都具有加工硬化、動態回復與動態再結晶的特征。在相同的應變速率下，流變應力隨著變形溫度的升高而降低；而在相同的變形溫度下，流變應力隨著應變速率的減小而降低。變形開始階段，變形引起大量位錯增殖與累積，加工硬化現象顯著，隨著變形的繼續，流動應力急劇增加到峰值[5]，此階段加工硬化占主導地位，同時伴隨位錯的攀移、交滑移等形式的動態回復軟化機制，動態回復效果相對較弱；變形繼續增加時，合金無法通過動態回復消除的位錯積累下來，變形到一定程度，引起動態再結晶的形核及長大，有效降低位錯密度[6]，從而使流動應力出現下降趨勢。隨著動態再結晶和動態回復的進行，同時加工硬化效果逐漸減弱，當動態軟化效果與加工硬化階段位錯相抵消時，材料出現穩態流動趨勢[7]。

圖1 不同應變速率下TiB95 合金熱壓縮變形真應力-真應變曲線

2.2 熱變形流變應力本構方程

金屬的高溫變形是一個熱激活過程，高溫變形過程取決于溫度和應變速率[8]。描述熱變形時變形溫度T 和應變速率ε˙對流變應力的影響，可用雙曲正弦Arrhenius 方程對實驗數據采用統計分析并建立其本構方程[9-10]，即：

式（1）可以根據較低應力水平和較高應力水平簡化式（2）和式（3）[11-12]。

式中：R 為摩爾氣體常數，取值8.314J/（mol·K）；Q 為高溫形變激活能，J·mol-1；n 為應力指數，并有n=β/α；A、A1、A2、n1、β 為與材料有關的常數。

不同變形條件下等溫熱壓縮實驗得到的流動應力-應變數據，可以用于確定本構關系中的材料常數，下面以峰值應力為例求解本構關系中的材料常數和本構方程。TiB95 合金在不同變形條件下的峰值應力如表1 所示。

表1 合金在850-1050℃區間不同熱變形條件下的峰值應力（σp/MPa）

根據本構方程模型，求解與TiB95 合金合金相關的參數n、β、α。對式（2）和式（3）兩邊取對數并整理得

圖2 是ε˙=0.01～10s-1的范圍內，用不同溫度下TiB95 合金的峰值應力分別繪制的lnε˙～σ、lnε˙～lnσ的變化關系圖，然后利用origin 數據處理軟件分別對圖中各組數據點進行線性回歸處理，以求得其斜率，如圖2a、2b 所示。

圖2a 對數應變速率與應力的關系、對數應變速率與對數應力的關系滿足近似線性關系；根據式（4），取圖2a 中高應力狀態下，850～950℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得β 值：β=0.0481；根據式（5），取圖2b 中低應力狀態下，950～1050℃下的三條擬合直線斜率的平均值可得n1值：n1=5.07；所以α=β/n1=0.0095。

圖2 不同條件下ln～σ、lnσ～ln的變化關系圖

假定形變激活能Q 與溫度無關，對式（1）兩邊取對數，可得到

并對式（6）求偏微分可得變形激活能

繪制不同條件下，lnε˙～ln[sinh（ασ）]與ln[sinh（ασ）]～1000/T 的關系曲線，如圖3 所示。對圖3 中數據進行線性回歸計算其斜率，即可獲得n=4.418 和s=19.702 值。

圖3 lnε～～ln[sinh（ασ）]與ln[sinh（ασ）]～1000/T 的關系曲線

則形變激活能Q：

變形溫度和變形速率對材料熱變形的影響可以用溫度補償變形速率因子Zener-Hollomom 參數（簡稱Z）來描述：

對式（8）取對數得到：

繪制sinh（ασ）及其對應的lnZ 的值的關系圖并進行線性擬合，如圖4 所示。根據其截距可得lnA=69.68，則A=1.827×1030。

圖4 lnZ～sinh（ασ）的關系圖

將求得的α、Q、n、A 的數值帶入式（1）即可得到TiB95 合金的峰值流變應力本構方程：

2.3 本構關系的驗證

為了驗證本構方程的準確性，利用本試驗計算得到的本構方程，將計算不同試驗條件下的流變應力峰值與熱壓縮試驗得到的應力值進行對比，如圖5所示。通過數值計算發現，峰值應力計算值與實測值的誤差不超過8%，計算值與試驗值吻合良好。

圖5 本構方程計算數值與試驗值對比

3 結論

（1）TiB95 合金的高溫熱壓縮流變應力受變形溫度和變形速率的影響。在變形溫度為850℃～1050℃，應變速率為0.01～10s-1范圍內：在相同的應變速率下，流變應力隨著變形溫度的升高而降低；而在相同的變形溫度下，流變應力隨著應變速率的減小而降低。

（2）TiB95 合金的熱變形行為受熱激活過程控制，其變形激活能Q 為723.679kJ/mol。TiB95 合金的熱變形本構方程為：