TC4鈦合金高溫流變行為及微觀組織演變研究

吳韜文，王寧，陳明和，謝蘭生，史文祥

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

鈦合金由于其比強度高、耐腐蝕、耐高溫、高溫成形性能好等特點，廣泛應用于航空航天等工業(yè)領域[1-2]。TC4是一種基于TC4的(α+β)型鈦合金，其C、N、O體積分數(shù)處于可控水平，并有望實現(xiàn)良好的斷裂韌性。目前，對TC4鈦合金研究主要集中在損傷容限、加工工藝等方面，對材料高溫成形性能的研究較少。因此有必要研究鈦合金在高溫變形條件下微觀組織變化及變形機制[3-5]。

為了準確模擬鈦合金高溫成形過程，建立高溫本構關系是鈦合金高溫成形研究的基礎。鈦合金高溫成形中主要因素為變形過程中應力、應變和溫度的關系。Arrhenius模型考慮了應力、應變、溫度3個因素，可以準確描述材料的流變應力。文獻[6]結合Z參數(shù)建立了TC31鈦合金的Arrhenius本構方程，證實了基于應變修正的Arrhenius本構方程擁有較高的預測精度。文獻[7]認為Ti55鈦合金在885 ℃～935 ℃下的變形和軟化機制分別為晶界滑移和不連續(xù)動態(tài)再結晶。文獻[8]提出了一種基于Arrhenius型雙曲線正弦方法的應變立方分段函數(shù)，提高了TC11鈦合金Arrhenius類型流變應力本構模型的精度。

本文通過高溫拉伸試驗，探究溫度、應變速率、應變量對TC4鈦合金流變行為和微觀組織的影響，獲得了TC4鈦合金高溫下的真實應力-應變曲線，建立了TC4鈦合金的統(tǒng)一黏塑性本構模型。

1 實驗

本次試驗材料為100 mm×100 mm×80 mm的TC4鈦合金塊，材料的主要質量分數(shù)如表1所示。沿塊料切取原始式樣，進行電解拋光處理。電解液配比為60vol%甲醇+34vol%正丁醇+6vol%高氯酸，拋光電流電壓為0.8 A和30 V，拋光時間為35 s。接著使用Kroll試劑腐蝕，最后獲得TC4鈦合金的原始微觀組織。如圖1所示，合金由等軸α相、片層狀α相和晶間β相構成。

圖1 TC4鈦合金的原始微觀組織

拉伸試驗所使用的設備是UTM5504X型電子萬能試驗機，配有高溫爐，控制精度±2 ℃。實驗前，仔細打磨試樣標距段，避免試樣表面由于切割產(chǎn)生的毛刺、劃痕對實驗產(chǎn)生影響。

在700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、恒定應變速率0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1和固定真應變0.2、0.3、0.5、0.7下進行高溫拉伸實驗，高溫拉伸實驗前，將試樣保溫15 min，高溫拉伸結束后迅速取出試樣水冷，保留高溫組織。

使用DM3000型Leica金相顯微鏡對實驗后試樣組織進行觀察，并利用image pro plus6.0對TC4鈦合金中微觀組織進行測量，表1為金相圖的分析依據(jù)。

表1 試驗用TC4鈦合金的質量分數(shù) 單位：%

2 高溫流變行為分析

圖2為不同實驗條件下的材料真實應力-應變曲線。在彈性階段，流變應力隨著應變的增加而迅速增加，當應變超過一定值后，進入屈服階段，該階段內位錯不斷遷移并積聚，位錯密度提高，材料強度上升。當流變應力達到峰值應力后，材料進入穩(wěn)定塑性變形階段，流變應力變化穩(wěn)定，且隨著應變的增加而降低。該階段內可能發(fā)生動態(tài)回復、再結晶等組織演變。隨著該過程的繼續(xù)進行，試樣出現(xiàn)頸縮并隨后斷裂。

圖2 TC4鈦合金高溫拉伸真實應力-應變曲線

當溫度一定時，隨著應變速率的降低，峰值應力降低，延伸率增大。當應變速率一定時，隨著溫度的升高，峰值應力降低，延伸率先增大后減小再增大。其中，當溫度和應變速率分別為850 ℃和0.001 s-1時，最大延伸率達到119%。

圖2表明，溫度對TC4鈦合金流變應力影響較大，隨著溫度升高，金屬內部發(fā)生動態(tài)再結晶，軟化金屬，材料變形抗力降低。此外，當溫度升高，原子動能增大，原子狀態(tài)趨于不穩(wěn)定，在外力作用下原子容易脫離平衡位置，晶間滑移作用增強，提高了材料塑性，降低了材料流變應力。

當應變速率增大時，晶間滑移、晶體位錯運動和擴散蠕變等無法充分擴展和完成，從而產(chǎn)生更多的彈性變形。由胡克定律可知，彈性變形越大，應力越大。此外，由于變形時間短，金屬沒有足夠時間進行恢復或再結晶，軟化過程不充分，金屬塑性降低，流變應力增大，金屬會較早達到斷裂階段。

3 TC4微觀組織演變規(guī)律

圖3為不同溫度下TC4鈦合金微觀組織圖。隨著溫度升高，再結晶程度不斷加強，小晶粒不斷相互吞食而長大，等軸α相含量減少，β相含量增加，β相基體上析出次生片狀α相，材料塑性延伸強度降低。

圖3 0.001 s-1、0.2時不同溫度下的TC4微觀組織

圖4為不同應變速率下TC4鈦合金微觀組織圖。從圖中可以看出，當達到相同應變量時，應變速率0.1 s-1試樣中晶粒尺寸最大，而0.001 s-1時的晶粒尺寸最小，且多為等軸狀。這是由于較低的應變速率下，材料有足夠時間發(fā)生動態(tài)再結晶，從而形成尺寸較小的等軸晶粒。因此在此階段的流變應力表現(xiàn)出較低且穩(wěn)定的趨勢。

圖4 850 ℃、0.2時不同應變速率下的TC4微觀組織

圖5為不同應變量下TC4鈦合金微觀組織圖。圖中藍色表示大角度晶界(HAGBs)，紅色表示小角度晶界(LAGBs)。隨著應變量的增加，材料中的位錯發(fā)生遷移并聚集，在晶界處形成HAGBs，促進了動態(tài)再結晶的發(fā)生，片層狀α晶粒破碎形成小尺寸等軸晶粒，消耗了材料中的位錯，導致位錯密度下降，因此流變應力不斷下降(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

圖5 850 ℃、0.001 s-1時不同應變量下的TC4微觀組織

4 TC4統(tǒng)一黏塑性本構方程

統(tǒng)一黏塑性模型是一種基于位錯密度的本構模型，該模型將描述材料變形過程中微觀組織演變的內變量引入了統(tǒng)一本構理論[9]。其本構模型基本形式主要包括高溫流動方程、硬化方程、位錯密度演變方程、內變量演變方程及胡克定律。

本文根據(jù)TC4鈦合金熱變形行為建立了一組能夠反映物理內變量的統(tǒng)一黏塑性本構模型，如式(1)所示。

(1)

由于統(tǒng)一黏塑性本構模型參數(shù)多，且高度耦合，因此根據(jù)文獻[10]提出的目標函數(shù)表達式，如式(2)所示，利用MATLAB中的遺傳算法工具箱對本構方程進行優(yōu)化。

(2)

式中：X為需要優(yōu)化的參數(shù)；M為真實應力-應變曲線條數(shù)；Nj為第j條曲線上的數(shù)據(jù)點；r為權重距離。

圖6為TC4鈦合金在700 ℃～850 ℃拉伸時通過統(tǒng)一黏塑性本構模型計算曲線(實線)與實驗結果(符號點)。圖中表明，模擬計算曲線與實驗數(shù)據(jù)點基本吻合，可以正確預測材料在不同溫度和應變速率下發(fā)生變形的4個階段以及隨著溫度升高和應變速率下降而導致流變應力下降的現(xiàn)象，說明該本構模型能準確描述TC4鈦合金在高溫下的變形行為。

圖6 統(tǒng)一黏塑性方程曲線與實驗結果對比

圖7為不同溫度下實驗應力與預測應力之間的關系。

圖7 模型計算應力與實驗應力相關性分析圖

從圖7可以看出在700 ℃～800 ℃范圍內大多數(shù)數(shù)據(jù)點都在σE=σC附近，不同溫度下的線性相關系數(shù)R在0.912 34～0.937 23之間，最大平均絕對誤差MAE和均方差RMSE為35.167 9 MPa和54.223 2 MPa；在850 ℃下，其預測相關性只有0.866 34，平均絕對誤差MAE和均方差RMSE分別為18.016 2 MPa和27.149 8 MPa，預測結果較差。相關性結果表明所建立模型能夠有效預測700 ℃～800 ℃下的流變應力。

5 結語

本文采用單軸高溫拉伸，獲得了TC4鈦合金在700 ℃～850 ℃和應變速率0.001～0.1 s-1條件下的高溫拉伸曲線及微觀組織，分析了拉伸條件對材料流變行為及微觀組織的影響，并建立了一組統(tǒng)一黏塑性模型來預測材料流變行為和流變應力，得到如下結論。

1)隨著溫度升高和應變速率的降低，材料流變應力逐漸降低，延伸率逐漸升高，并在850 ℃、0.001 s-1的條件下獲得最大延伸率，達119%。

2)升高溫度、降低應變速率和增加應變量能有效促進TC4鈦合金發(fā)生動態(tài)再結晶，軟化金屬，消耗材料中的位錯，使材料流變應力下降。

3)統(tǒng)一黏塑性本構模型所預測的應力在700 ℃～800 ℃與實驗值的線性相關值為0.912 34～0.937 23，而850 ℃時僅為0.866 34，表明該模型在700 ℃～800 ℃下能有效預測TC4鈦合金流變行為及流變應力。