简介概要

Ti-5523钛合金热变形流变行为的研究

来源期刊：稀有金属2008年第5期

论文作者：毛柏平郭胜利沈健

关键词：Ti-5523钛合金; 热压缩变形; 流变应力; Zermer-Hollomon参数;

摘要：采用恒应变速率高温压缩模拟实验,对Ti-5523钛合金在应变速率为0.001～5.0 s-1,变形温度为600.900℃条件下的流变应力行为进行了研究,计算了变形激活能及相应的应力指数,建立了合金的应力.应变关系方程.结果表明:在恒温条件下,合金的流变应力随应变速率的增大而增大;在恒应变速率条件下.合金的流变应力随温度的升高而降低;变形激活能和应力指数分别为Q=317.811 kJ·mol-1和n=4.43;可用包含Arrhenius项的Zener-Hollomon参数描述Ti-5523钛合金高温塑性变形时的流变行为.

稀有金属 2008,(05),674-678 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.05.019

Ti-5523钛合金热变形流变行为的研究

郭胜利沈健

北京有色金属研究总院加工工程研究中心

摘要：

采用恒应变速率高温压缩模拟实验, 对Ti-5523钛合金在应变速率为0.001～5.0s-1, 变形温度为600～900℃条件下的流变应力行为进行了研究, 计算了变形激活能及相应的应力指数, 建立了合金的应力-应变关系方程。结果表明:在恒温条件下, 合金的流变应力随应变速率的增大而增大;在恒应变速率条件下, 合金的流变应力随温度的升高而降低;变形激活能和应力指数分别为Q=317.81kJ·mol-1和n=4·43;可用包含Arrhenius项的Zener-Hollomon参数描述Ti-5523钛合金高温塑性变形时的流变行为。

关键词：

Ti-5523钛合金;热压缩变形;流变应力;Zenner-Hollomon参数;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：2008-03-20

Study on Hot Deformation Behavior of Ti-5523 Titanium Alloy

Abstract：

The flow stress behaviors of Ti-5523 titanium alloy during hot deformation under the conditions of strain rate in the range of 0.001～5.0 s-1 and temperature at the range of 600～900 ℃ were investigated by hot-compression testing at a constant strain rate. The hot deformation activation energy and corresponding stress exponent were calculated. From the calculation the equation of strain rate and flow stress was deduced. The results showed that the flow stress became higher with the increase of strain rate at a constant temperature, and lower with increase of deformation temperature at a constant strain rate. The hot deformation activation energy and the corresponding stress exponent were determined to be 317.81 kJ·mol-1 and 4.43 respectively. The flow stress of Ti-5523 titanium alloy during deformation at high temperature could be expressed by Zener-Hollomon parameter including the Arrhenius term.

Keyword：

Ti-5523 titanium alloy; hot compression deformation; flow stress; Zener-Hollomon parameter;

Received： 2008-03-20

近β型钛合金Ti-5523, 名义成分为Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al ^[1] , 具有比强度高、断裂韧度好、淬透性高、热加工工艺性能和机加工性能十分优异等特点, 可满足高结构效益、高可靠性结构件的使用要求。该合金已在航天领域制成飞行器的回收装置, 在石油化工领域中用于高压构件等 ^[2,3] 。

流变应力是指材料在一定变形温度、应变和应变速率下的屈服极限, 是材料在高温下的塑性变形参数之一。在合金化学成分和内部结构一定的情况下, 流变应力主要受变形温度、变形程度和应变速率的影响, 是变形过程中金属内部显微组织演变和性能变化的综合反映 ^[4] 。目前对Ti-5523钛合金热加工流变应力行为研究的报道较少, 本文在Gleeble-1500热模拟机上对圆柱试样进行等温压缩, 研究Ti-5523钛合金热变形时流变应力与变形温度、应变速率间的关系, 采用一元线性回归法建立流变模型, 为该合金的热加工工艺制定和优化提供理论依据。

1 实验

1.1 材料

材料为真空自耗电极二次电弧熔炼法制备的Ti-5523钛合金铸锭, 其 (α+β) /β相变温度为 (815±5) ℃。铸锭锻造后, 切取40 mm厚圆饼, 在800 ℃热轧成10 mm板材, 经750 ℃/60 min固溶处理后, 机械加工成Φ 8 mm×12 mm的Rastegaev ^[4] 压缩样, 上下两端加工成Φ 7 mm×0.2 mm的浅槽, 压缩前圆柱试样两端的凹槽内填充75%石墨+20%机油+5%硝酸三甲苯脂, 以减少摩擦对应力状态的影响, 保证压缩变形的均匀和稳定性, 防止严重鼓形出现。

1.2 方法

将加工好的试样在Gleeble-1500热模拟试验机上进行等温压缩实验, 压缩温度范围为600～900 ℃, 应变速率范围为0.001～5 s^-1, 预定高度方向的压缩变形量为55% (真应变为0.8) , 加热速度为5 ℃·s^-1。试样采用感应加热, 到达指定温度后保温5 min, 停止加热立即进行热压缩。变形过程全部由Gleeble-1500热模拟机的计算机控制并自动采集应力、应变、压力、位移、温度及时间等数据, 绘制真应力-真应变曲线。

图1 压缩试样剖面的显微组织

Fig.1 Microstructure of hot compression sample for longitudinal section

2 结果

2.1 真应力-真应变曲线

图2所示为Ti-5523钛合金高温等温压缩变形实测的真应力-真应变曲线。从图2中可以看出, Ti-5523钛合金的峰值应力和稳态应力随着变形温度的升高或应变速率的降低显著降低, 合金属于热敏感型和应变速率敏感型材料。在同一应变速率下, 随着变形温度的升高, 材料的流变应力逐渐降低, 并且在不同的温度范围内表现出不同的流动特性: 相变点以下的600～700 ℃温度范围内, 材料流变应力到达峰值之后总体呈下降趋势, 呈现连续几何动态再结晶曲线特征; 相变点以上的900 ℃时, 材料的流变应力随变形程度稳定在一个定值, 呈现动态回复曲线特征。在相变点附近800 ℃时, 不同的应变速率范围内表现出不同的流动特性, 当应变速率≤1 s^-1, 材料的流变应力稳定在一个定值, 也呈现动态回复曲线特征。而当应变速率增加5 s^-1时, 流变应力增加到峰值应力后, 呈现出逐渐减小的现象, 其真应力从峰值221.7 MPa降低到170.9 MPa, 其曲线特征由动态回复型转变为动态再结晶型。

2.2 流变应力方程

20世纪40年代, Zener和Hollomon提出并实验证实了确定钢的高速拉伸实验σ-ε关系的一种方法 ^[5] , 即:

σ=σ (Z, ε) (1)

其中 $Ζ = \dot{ε} \exp [Q / (R Τ)] ? ? ? (2)$

式中σ为高温流变应力; $\dot{ε}$ 为应变速率; ε为真应变; T为变形温度; R为摩尔气体常数; Z为Zener-Hollomon 参数, 其物理意义是温度补偿的变形速率因子; Q为热变形激活能, 它反映材料热变形的难易程度, 也是材料在热变形过程中重要的力学性能参数。

Z与σ之间服从以下关系式:

Z=A₁[sinh (ασ) ]ⁿ (3)

结合式 (2) 和式 (3) 有:

$\dot{ε} = A_{1} [\sinh (α σ)^{n}] \exp [- Q (R Τ)] ? ? ? (4)$

式中A₁, α, n均为与温度无关的常数; A₁为结构因子, s^-1; α为应力水平参数, MPa^-1; n为应力指数。

上述关系式就是由Sellar和Tegart提出的一种为包含变形激活能Q和温度T的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系。相关研究表明 ^[6,7,8,9] , 对于许多钛合金其热变形流变应力与应变速率和变形温度之间的关系可以采用双曲正弦模型进行准确表述。本文采用式 (4) 描述Ti-5523钛合金常规热变形。

在低应力水平条件下, 由于ασ值较小, 对式 (3) 和式 (4) 中的sinh (ασ) 进行泰勒级数展开后忽略高次项, 可近似得到低应力水平时上述两式的表达式为:

图2 Ti-5523钛合金热压缩变形真应力-真应变曲线

Fig.2 True stress-true strain curves of Ti-5523 titanium alloy by hot compression (a) 0.001 s^-1; (b) 0.01 s^-1; (c) 0.1 s^-1; (d) 1 s^-1; (e) 5 s^-1

Z=A′σⁿ (5)

$\dot{ε} = A^{'} σ^{n} \exp [- Q / (R Τ)] ? ? ? (6)$

其中A′=A₁αⁿ。

在高应力水平条件下, 可以忽略sinh (ασ) 中的exp (ασ) 项, 由式 (3) 和式 (4) 可得:

Z=Aexp (βσ) (7)

$\dot{ε} = A \exp (β σ) \exp [- Q / R Τ] ? ? ? (8)$

式中A=A₁/2ⁿ, α=β/n。

假设Ti-5523钛合金高温塑性变形时的σ, $\dot{ε}$ 和T之间关系满足式 (4) , 然后根据式 (6) 和式 (8) , 求出常数n, α, β。

对式 (6) , (8) 两边取对数分别可得:

$\begin{array}{l} \ln \dot{ε} = \ln A^{'} - Q / (R Τ) + n \ln σ ? ? ? (9) \\ \ln \dot{ε} = \ln A - Q / (R Τ) + β σ ? ? ? (10) \end{array}$

由 (9) , (10) 可知, 当温度一定时, n和β分别为 $\ln \dot{ε} - \ln σ ? \ln \dot{ε} - σ$ 曲线的斜率, 采用一元线性回归处理, 得 $\ln \dot{ε} - \ln σ$ 关系曲线, 如图3 (a) 所示, $\ln \dot{ε} - σ$ 关系曲线如图3 (b) 所示。相关系数均大于0.94。

n值取图3 (a) 中峰值应力较低, 即温度为600, 700和800 ℃的3条直线斜率的平均值, 得到n=6.60896, β值取图3 (b) 中峰值应力较高, 即温度为700, 800和900 ℃的3条直线斜率的平均值, 得β=0.04495, 则α=β/n=0.0068。

假定热变形激活能Q与温度T无关, 对式 (4) 两边分别取对数可得:

$\begin{array}{l} \ln \dot{ε} = \ln A_{1} - Q / (R Τ) - n \ln [\sinh (α σ)] ? ? ? (11) \\ Q = R [\frac{? \ln \dot{ε}}{? \ln [\sinh (α σ)]}]_{Τ} [\frac{? \ln [\sinh (α σ)]}{? (1 / Τ)]}]_{\dot{ε}} ? ? ? (12) \end{array}$

根据图2中不同温度下Ti-5523钛合金变形时的峰值应力、应变速率值和所求的α值代入式 (11) , 再用最小二乘法线性回归, 绘制出相应的ln[sinh (ασ) ]-1/T关系曲线, 如图4所示; $\ln \dot{ε} - \ln [\sinh (α σ)]$ 关系曲线如图5所示。

对式 (3) 两边取对数可以得到:

lnZ=lnA₁+nln[sinh (ασ) ] (13)

图3 应变速率与流变应力的关系

Fig.3 Relationship between strain rate and flow stress $(a) \ln \dot{ε} - \ln σ$ ; $(b) \ln \dot{ε} - σ$

图4 流变应力与变形温度的关系

Fig.4 Relationship between flow stress and deformation temperature

图5 应变速率与流变应力的关系

Fig.5 Relationship between strain rate and flow stress

将前面求得的变形激活能Q代入式 (2) 得:

$Ζ = \dot{ε} \exp [317.81 \times 10^{3} / (R Τ)] ? ? ? (14)$

将不同变形温度下合金热变形的应变速率代入式 (14) 得到不同的Z值, 再与对应的峰值应力一起代入式 (11) , 用最小二乘法线性回归, 绘制相应的lnZ-ln[sinh (ασ) ]关系曲线, 如图6所示。采用一元线性回归分析可得出两者的关系为: lnZ=33.615+4.392ln[sinh (ασ) ]。

图6 流变应力与Z参数的关系

Fig.6 Relationship between flow stress and Zener-Hollomon parameter

从图6中可以看出, Ti-5523钛合金流变应力双曲正弦项的自然对数和Z参数的自然对数间满足线性关系, 回归曲线相关系数为0.992。因此, 可以用包含Arrhenius项的Z参数描述Ti-5523钛合金高温塑性变形时的流变行为。

将所求参数代入方程 (4) 可得Ti-5523钛合金的应力-应变关系方程:

$\begin{array}{l} \dot{ε} = 4.27046 \times 10^{14} [\sinh (0.0068 σ)]^{4.43} \times \\ \exp [- 317.81 \times 10^{3} / (R Τ)] ? ? ? (15) \end{array}$

3 分析与讨论

以上结果表明: Ti-5523钛合金高温压缩变形时流变应力取决于应变速率和变形温度, 可用Zener-Hollomon参数来描述其流变应力。

由金属变形机制可知: 热加工过程中, 流变应力变化主要取决于两个方面: 位错增值引起的加工硬化和由于变形及高温的作用导致的动态软化。两者在热加工过程中同时进行、互相竞争。高温变形时流变应力-应变曲线的变形模式最终取决于加工硬化和高温动态软化相互竞争的结果 ^[10] 。从图2的曲线看出, 在相变点以下 (600～700 ℃) 变形时流变应力通常随应变迅速升高达到峰值后, 逐步下降, 呈现动态再结晶型曲线特征。这可能是在 (α+β) 两相区不易发生动态回复, 因而随变形增加, 位错密度不断增大, 从而产生加工硬化。当变形量达到一定程度后, 金属位错应力场造成的畸变能累积达到一定程度, 将促使金属产生新的再结晶晶粒, 为动态再结晶。动态再结晶的发生, 使更多的位错突然消失, 金属的变形阻力下降。从图7中Ti-5523钛合金热压缩后立即水淬的剖面显微组织可以看出: 与热压缩前的组织图1对比可发现: 原来热轧固溶处理后的晶粒大小不均, 有的晶粒破碎成较小的晶粒, 600 ℃热压缩后, 显微组织发生了变化, 呈现再结晶组织, 晶粒大小均匀; 700 ℃热压缩组织还呈现再结晶后的晶粒长大现象, 说明在600和700 ℃热压缩时发生了动态再结晶。

在相变点温度以上900 ℃进行变形时, 流变应力迅速升高达到峰值后, 很快趋于稳定。这可能是合金在单相β区内, 扩散系数比α相高两个数量级 ^[11] , 容易发生动态回复。动回复明显抵消了变形产生的部分硬化, 加工硬化和高温动态软化相平衡, 使合金表现出相对稳定的流变应力。即使变形量很大, 金属内部所累积的畸变能达不到动再结晶所需的临界能量, 在热加工中以发生动态回复为主 ^[12] 。当在相变点温度附近800 ℃进行压缩变形时, 由于钛合金导热性比较差, 压缩时产生变形热效应, 导致绝热温升, 变形温度接近相变点, 加速 (α+β) →β转变, β相的成分比例增加, 当应变速率≤1 s^-1下, 呈现β单相区的应力-应变曲线, 软化机制以动态回复为主。从图7显微组织可以看出: 在800和900 ℃热压缩变形时, 发生了 (α+β) →β相变, 水淬后析出了针状的六方马氏体α′。与近β钛合金Ti-17相同 ^[11] , 在β单相区变形时, 属于以扩散为主的动态回复形为主的变形机制。当变形速率增大到5 s^-1的高应变速率时, 可能由于变形时间短, 螺型位错的交滑移和刃型位错的攀移所产生的动态回复有限, 亚晶界未能很好地形成, 晶内的位错密度依然保持较高水平, 从而使得金属内部的储能迅速增加, 达到了发生动态再结晶所需的驱动力, 最终导致动态再结晶的发生, 应力-应变曲线呈现出以动态再结晶为软化机制的特征。这与β21S钛合金在750 ℃不同应变速率下的流变应力曲线相似 ^[13] , 在相变点附近高温压缩时, 应力-应变曲线随着应变速率的增加, 主要的软化机制可能由动态回复演变成动态再结晶。

图7 Ti-5523钛合金热压缩后的显微组织

Fig.7 Microstructures of Ti-5523 alloys specimens after hot compression deformed at different conditions (a) 600 ℃, 0.1 s^-1; (b) 700 ℃, 1.0 s^-1; (c) 800 ℃, 1.0 s^-1; (d) 900 ℃, 0.01 s^-1

4 结论

1. 在同一应变速率下热压缩变形, Ti-5523钛合金的真实应力随温度的升高而降低, 材料变形抗力减小, 发生明显的软化; 在同一温度下, 真应力随应变速率的增大而提高, 表明该合金是正应变速率敏感材料。

2. 在应变速率0.001～5 s^-1范围内, Ti-5523钛合金在600～900 ℃温度区间的流变行为表现为3种类型: 相变点下600～700 ℃温度范围内, 材料流变应力到达峰值之后总体呈下降趋势, 说明在此温度范围内主要软化机制是动态再结晶; 在相变点上900 ℃, 材料的流变应力几乎稳定在一个定值, 表现出动态回复的特征。在相变点附近800 ℃, 随着应变速率增加, 主要软化机制由动态回复演变成动态再结晶。

3. Ti-5523钛合金流变应力和应变速率之间满足双曲正弦关系, 可用包含Arrhenius项的Zener-Hollomon参数描述Ti-5523钛合金压缩变形时的流变应力行为。