文章编号：1004-0609(2010)S1-s0377-04

铸态TB6钛合金热变形行为及本构关系

雷力明，黄  旭，黄利军，曹春晓

(北京航空材料研究院，北京 100095)

摘  要：通过等温恒应变速率压缩实验研究铸态TB6钛合金在温度为800~1 100 ℃，应变速率为10^-3~1 s^-1条件下的热变形行为。结果表明：应变速率对铸态TB6合金流变应力的影响最显著，其次是变形温度，而应变的影响作用最小。在低温高应变速率下，流变应力曲线呈连续软化特征，而在高温低应变速率下，流变应力曲线呈稳态流变特征。铸态TB6合金的热变形激活能为200 kJ/mol，接近纯钛β相的自扩散激活能，表明在实验条件范围内主要发生动态回复过程。在Arrhenius方程基础上考虑了应变对流变应力曲线的影响，建立了能准确描述铸态TB6钛合金流变应力曲线的双曲正弦本构关系。

关键词：铸态TB6钛合金；热变形；本构关系

中图分类号：TG146.2；TG139　　     文献标志码：A

Hot deformation behavior and constitutive relationship of as-cast TB6 alloy

LEI Li-ming, HUANG Xu, HUANG Li-jun, CAO Chun-xiao

(Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Abstract: The hot deformation behavior of as-cast TB6 alloy was investigated by isothermal constant strain rate compression test at temperatures of 800-1 100 ℃ and strain rates of 10^-3-1 s^-1. The results show that the flow stress of as-cast TB6 alloy is greatly affected by strain rate, followed by temperature and the effect of strain is the weakest. The flow stress curves display continuous softening characteristics at low temperatures and high strain rates, while display steady flow characteristics at high temperatures and low strain rates. The activation energy is determined to be 200 kJ/mol which is close to that of self-diffusion of β phase in pure titanium, and it shows that the dynamic recovery takes place dominantly during hot deformation. Considering the effect of strain, an improved hyperbolic sine constitutive relationship is established based on the Arrhenius equation that can accurately describe the flow stress of as-cast TB6 alloy.

Key words: as-cast TB6 alloy; hot deformation; constitutive relationship

TB6合金是一种亚稳态β钛合金，它具有断裂韧性高、淬透性好、加工窗口宽等一系列优点，已被广泛用于制造桨毂、起落架等大型飞机结构件^[1-2]。研究TB6合金的热变形行为对于确立合适的锻造工艺参数具有指导意义，虽然国内外已经有一些文献对此进行了相关研究^[3-7]，但都是针对锻态TB6合金的变形，所建立的本构关系无法应用于合金铸锭的开坯工艺研究。本文作者通过等温恒应变速率压缩实验研究铸态TB6合金的热变形行为，在Arrhenius方程基础上考虑应变对流变应力的影响作用，建立能准确描述铸态TB6合金流变应力曲线的本构关系，为进行TB6合金开坯锻造过程的数值模拟提供了材料模型。                        

1  实验

实验材料取自于TB6钛合金工业级铸锭，其相变点为798 ℃。压缩试样尺寸为d8 mm×12 mm，在Gleeble3500热模拟试验机上进行等温恒应变速率压缩实验，实验温度分别为800、900、1 000和1 100 ℃，应变速率分别为10^-3、10^-2、10^-1和1 s^-1，压缩变形量为50%(真应变约0.69)。将试样加热至实验温度后保温120 s，压缩过程中在试样两端面垫有石墨润滑片以减少摩擦阻力的影响，压缩结束后立即水淬试样以保留热变形组织。

2  结果与讨论

2.1  热变形参数对铸态TB6合金流变应力曲线的影响

压缩实验获得的铸态TB6合金的流变应力曲线如

图1所示(图中连续线)。从图1可以看到，在初始微应变阶段，由于加工硬化作用占主导地位，流变应力随应变增加而迅速上升；随着应变继续增加，动态回复和再结晶软化作用增强，流变应力增加速度趋缓，当加工硬化与动态软化二者平衡时应力达到峰值；流变应力在峰值后随应变增加而连续降低，最终趋向稳态流变，表明动态软化作用在这一阶段占主导地位。比较可以看出，合金的流变应力随应变速率增加而显著增加，随变形温度增加而降低。低温高应变速率的流变应力曲线呈连续软化特征，直到压缩真应变最大时仍未进入稳态阶段，而高温低应变速率的流变应力曲线在峰值后经过较短的软化过程就基本进入了稳态流变阶段。为了更直观地反映温度、应变速率和应变对流变应力的影响显著性，对实验数据进行了极差分析，得到应变速率的极差=106.1 MPa，温度的极差R_T=83.8 MPa，应变的极差=27.1 MPa。这表明应变速率对流变应力的影响最显著，其次是变形温度，而应变的影响作用最小。

图1  铸态TB6合金热压缩变形的流变应力曲线

Fig.1  Flow stress curves of as-cast TB6 alloy during hot compression deformation: (a) 800 ℃; (b) 900 ℃; (c) 1 000 ℃; (d) 1 100 ℃

2.2  本构关系确立

金属材料的高温塑性变形过程主要受热激活过程控制，SELLARS和TEGART在Arrhenius方程基础上提出了流变应力、应变速率和温度之间的双曲正弦通用本构关系式^[8]：

                (1)

当流变应力较低时(＜0.8)，式(1)简化为幂函数关系式^[9-10]：

                       (2)

当流变应力较高时(＞1.2)，式(1)简化为指数函数关系式^[9-10]：

                  (3)

式中：为应变速率，为流变应力，Q为变形激活能，T为绝对温度，R为气体常数，n、为应力指数，和为应力调整因子，A、、为常数。

由式(1)~(3)可推导出下列关系式：

                                 (4)

                           (5)

                          (6)

根据上述几种线性关系式可以分别计算出n、、Q等本构参数。需要注意的是，上述公式中的为一定应变下的流变应力，由于铸态TB6合金的流变应力曲线随应变连续变化，因而建立本构关系时需要考虑应变的影响。这里以=0.5的流变应力为例说明确定各参数的过程。图2所示为流变应力与应变速率的关系。从图2(a)可看到，与呈近似线性关系，各拟合直线的斜率为，也即为应变速率敏感因子m^[11]，流变应力随应变速率增加而显著增加，温度越高时m值越大，应力增幅也越快。如图2(b)所示，应力调整因子的作用是调整—呈平行线性关系^[9]，采用方差分析方法求得=0.020 8 MPa^-1，图中各拟合直线斜率平均值的倒数为应力指数n=3.01。图3所示为与1/T的关系，根据式(6)可知各拟合直线的斜率为Q/(nR)，求得Q=199 kJ/mol。用类似方法可以求得其他应变的流变应力本构参数，如表1所列。

从表1可看到，不同应变求得的变形激活能波动较小，均值为200 kJ/mol，这与多数文献中公布的钛合金β相区的激活能数据相近^{[3, 12]}，这个数值也接近纯钛的β相自扩散激活能(153 kJ/mol)^[12]，表明在实验条件范围内主要发生动态回复过程。

图2  流变应力与应变速率的关系

Fig.2  Relationship between flow stress  and strain rate  

(a) —；(b) —

图3  与1/T的关系

Fig.3  Relationship between  and 1/T

由于应变对铸态TB6合金的流变应力有较大影响，而式(1)~(3)均没有包含应变项，为了准确描述流变应力特征，需要构建出新的本构方程，本文基于Arrhenius方程提出了以下本构关系：

                           (7)

式中：为应变。

表1  铸态TB6合金的本构参数

Table 1  Constitutive parameters of as-cast TB6 alloy

式(7)中的应力调整因子取表1中的平均值进行计算，利用多元回归分析方法，确定出B₀、B₁、B₂、B₃、B₄的值分别为：B₀=0.324，B₁= -0.069 2，B₂=0.4，B₃=4 704 428，B₄= -2.25，即本构关系为

                        (8)

图1中的数据点是利用式(8)计算的应力值，可以看到，流变应力的实验值与计算值吻合程度较好。误差分析结果为：计算应力误差小于5%的数据点占总数据点的61%，误差小于10%的数据点占总数据点的84%，只有9%的数据点误差超过了15%，这表明式(8)建立的本构关系能准确反映铸态TB6合金在实验条件范围内的流变应力特性。

3  结论

1) 应变速率对铸态TB6合金流变应力的影响最显著，其次是变形温度，而应变的影响作用最小。在低温高应变速率下，铸态TB6钛合金的流变应力曲线呈连续软化特征，而在高温低应变速率下，流变应力曲线呈稳态流变特征。

2) 铸态TB6合金的热变形激活能为200 kJ/mol，接近纯钛β相的自扩散激活能，表明在实验条件范围内主要发生动态回复过程。

3) 在Arrhenius方程基础上考虑了应变对流变应力曲线的影响，建立了能准确描述铸态TB6合金流变应力特征的双曲正弦本构关系。

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(编辑 李向群)

通信作者：雷力明，博士，高级工程师；电话：010-62496627；E-mail: liming.lei@biam.ac.cn