简介概要

TC4合金应力松弛行为及微观组织观察

来源期刊：稀有金属2002年第6期

论文作者：朱景川刘勇尹钟大

关键词：TC4合金; 应力松弛; 拟合; 槛应力; 微观组织;

摘要：钛合金因其高的比强度和耐腐蚀性而在航空、航天、化工等各个领域受到人们的青睐,受到广泛的应用[1～3].钛合金的重要的力学性能之一为应力松弛性能.应力松弛是热校形的理论基础[4],同时也是消除应力退火的理论基础[5].另一方面,有许多弹性元件为了减轻本身的重量而采用比强度高的钛合金进行制造,应力松弛往往是这些元件失效的原因;在一些先进的飞机上,钛合金紧固件被广泛采用,应力松弛往往导致一些事故.要有效地防止因应力松弛导致钛合金弹性件和紧固件失效,就要了解钛合金应力松弛机理.基于以上两方面的应用背景,研究钛合金的应力松弛性能有重要的理论价值和实践意义.但长期以来,钛合金的应力松弛研究没有引起足够的重视.本文即针对工业上常用的TC4合金研究其应力松弛行为.

稀有金属 2002,(06),509-512 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.06.021

TC4合金应力松弛行为及微观组织观察

朱景川尹钟大

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001 ,黑龙江哈尔滨150001 ,黑龙江哈尔滨150001

关键词：

TC4合金;应力松弛;拟合;槛应力;微观组织;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：2002-04-23

Stress Relaxation Behavior and Microstructure Observation in TC4 Alloy

Abstract：

The behavior in TC4 alloy was studied and the test were fitted by twice delay function well. At the same time, microstructures observation during stress relaxation were performed by TEM. Results showed that plastic strain rate vs stress dual logarithmic curve was composed of two straight lines in stress relaxation deformation and a critical stress was found. Plastic strain rate stress exponent and microstructure observation showed that stress relaxaton deforming mechnisam is dislocation creep with planar dislocation gliding character at 400 ℃, while recovery creep under the effect of dislocation gliding and climb atom diffusion at 600 ℃.

Keyword：

TC4 alloy; stress relaxation; fit ; threshold stress; microstructure;

Received： 2002-04-23

钛合金因其高的比强度和耐腐蚀性而在航空、航天、化工等各个领域受到人们的青睐, 受到广泛的应用 ^[1,2,3] 。钛合金的重要的力学性能之一为应力松弛性能。应力松弛是热校形的理论基础 ^[4] , 同时也是消除应力退火的理论基础 ^[5] 。另一方面, 有许多弹性元件为了减轻本身的重量而采用比强度高的钛合金进行制造, 应力松弛往往是这些元件失效的原因; 在一些先进的飞机上, 钛合金紧固件被广泛采用, 应力松弛往往导致一些事故。要有效地防止因应力松弛导致钛合金弹性件和紧固件失效, 就要了解钛合金应力松弛机理。基于以上两方面的应用背景, 研究钛合金的应力松弛性能有重要的理论价值和实践意义。但长期以来, 钛合金的应力松弛研究没有引起足够的重视。本文即针对工业上常用的TC4合金研究其应力松弛行为。

1 试验材料及方法

试验材料为直径30 mm的热轧棒材, 化学成分 (%, 质量分数) 如下: 5.89Al, 3.84V, 0.27Fe, 0.04N, 0.09C, 0.03O, 0.011H, 余量为Ti。应力松弛试验采用国家标准GB10120规定的弯曲应力松弛试验法。试验在400与600 ℃两个温度下进行。 TC4钛合金为等轴组织, 由等轴状α相和转变β相组成。实验数据整理为σ-t曲线, 并采用经验公式进行数据拟合, 进而整理为lnσ-ln (dε/dt) , 以研究该合金应力松弛行为的特点。

2 结果

2.1 应力松弛行为

图1为不同温度下应力松弛σ-t曲线图, 表1为有关的实验数据。由图1可以看出, TC4合金的应力松弛行为具有以下基本特征: (1) 应力松弛可以分为两个阶段, 在第一个阶段, 试样内的残余应力σ下降的很快, 但随时间的增加, 松弛速度逐渐减慢; 在第二个阶段, 残余应力下降的非常慢。 (2) 由应力松弛曲线可以看出, 残余应力的下降有一个限度, 也就是残余应力无限趋近与某一个值, 这个值就是应力松弛极限。以上特点符合金属应力松弛的一般特点 ^[6] 。

2.2 应力松弛曲线数据拟合

对于金属的应力松弛行为, 人们曾采用不少的经验公式进行数据拟合, 常见有对数式、指数式、 Maxwell式等, 精确的应力松弛方程式有助于计算任意初应力、任意时间的应力松弛。本文采用二次延迟函数进行拟合。

σ=σ (∞) +be^-t/τ1+ce^-t/τ2 (1)

其中, σ为瞬时应力, σ (∞) 为长时间应力松弛后的剩余应力值, b, c, τ₁, τ₂决定曲线的形状, 即表示应力松驰的快慢。以上各参数均为与材料和试验条件有关。表2为合金应力松弛曲线拟合参数表。图1为实验数据与拟合曲线比较情况。其中点表示实验数据, 线为用式 (1) 拟合的曲线。可以看出, 用二次延迟函数模拟应力松弛曲线具有满意的效果。

2.3 应力松弛中应变速率与应力的关系

利用应力松弛可以给出材料的应力与塑性应变速率的关系。具体方法见有关文献 [ 6] 。由图2可以看出, 在塑性应变速率与应力的关系图中, 存在一个槛应力, 低于此槛应力, 塑性应变速率下降达几个数量级。对于考虑时间因素的热力共同作用下的固体变形, 塑性应变速率与温度的关系可以用下式进行描述:

表1 TC4合金不同条件应力松驰试验后的瞬时应力 (MPa) 下载原图

Table 1 Instantaneous stress in stress relaxation under different condition

表1 TC4合金不同条件应力松驰试验后的瞬时应力 (MPa)

表2 TC4合金应力松弛曲线拟合常数 下载原图

Table 2 Parameters in fitting stress relaxation cures

表2 TC4合金应力松弛曲线拟合常数

图1 TC4合金应力松弛曲线

Fig.1 Stress relaxation curves of TC4 alloy

(a) 400 ℃; (b) 600 ℃

dε/dt=Aσⁿexp (-Q/RT) (2)

如果考虑槛应力σ_th, (2) 修正为:

dε/dt=A (σ-σ_th) ⁿexp (-Q/RT) (3)

用 (3) 式可以很好地解释图2中的曲线。

关于槛应力的物理意义, 鉴于这种现象大多是在颗粒弥散强化合金中发现, 多解释为Orowan应力; 但后来发现, 某些情况下槛应力在数值上远小于Orowan应力 ^[7] 。本文研究说明, TC4合金并不是颗粒弥散强化合金, 仍存在槛应力现象, 即槛应力现象并不是颗粒弥散合金热变形时所独有的。事实上, 在一定的温度和应力域, 存在多种变形机制, 每种变形机制对应一个槛应力, 只有在外加应力高于此槛应力时, 此种变形机制才会启动。图2所观察到的槛应力应是占主导地位的变形机制对应的槛应力。

由一般的塑性流动方程可以知道,

n= ln (dε/dt) /lnσ (4)

图2所示的直线的斜率即对应于n值, 可见在应力温度不同时塑性应变速率与应力的依赖关系是不同的, 亦即材料的变形机理是不同的。 TC4合金热变形时, 400 ℃时速率应力指数为4, 说明这时的材料变形机理是位错滑移; 600 ℃速率应力指数为1.6, 说明600 ℃时材料的变形机理是位错的滑移、攀移及原子扩散综合作用。

2.4 微观组织观察

图3 (a) 为合金400 ℃应力松弛后的微观组织, 在变形组织中, 发现位错具有平面滑移的特点, 呈规则的位错列排列。这与钛合金低温蠕变的特点是相似的。可见在400 ℃应力松弛变形机制为位错蠕变。图3 (b) 为合金600应力松弛变形后的组织。可见, 位错运动受到阻碍, 形成大量的亚晶界, 进而发展为亚晶。这种现象是回复蠕变的典型特征, 因此可以判断, 600 ℃应力松弛变形的主要机制为回复蠕变。