简介概要

工业纯钛TA2的高温变形机制研究

来源期刊：稀有金属2003年第6期

论文作者：周伟杨英丽周廉于振涛

关键词：金属材料; 钛合金; 变形机制; 本构方程;

摘要：研究了纯钛TA2在700, 750, 800 ℃的室温下及变形速度为4.5, 12和45 mm*min-1)时的拉伸变形行为, 分析了其真应力-真应变(σ-ε)的对应关系及显微组织的变化规律. 结果表明, σ-ε曲线上, 在给定温度下, 随着应变速率增大, 应力增大; 在固定应变速率时, 随着温度升高, 应力降低. 随着应变速率增大, TA2的显微组织呈现细化趋势, 并且组织中亚晶粒比例增加. TA2高温变形的变形激活能Q为347.6018 kJ*mol-1, 说明该金属的高温变形机制为杂质元素与位错相互作用的过程, 得到了高温变形的本构方程.

稀有金属 2003,(06),721-725 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.06.016

工业纯钛TA₂的高温变形机制研究

杨英丽于振涛周廉

东北大学材料与冶金学院,西北有色金属研究院钛所,西北有色金属研究院钛所,西北有色金属研究院钛所辽宁沈阳110004西北有色金属研究院钛所,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016 ,陕西西安710016

摘要：

研究了纯钛TA2 在 70 0 , 75 0 , 80 0℃的室温下及变形速度为 4.5 , 12和 45mm·min- 1 ) 时的拉伸变形行为 , 分析了其真应力真应变 (σ ε) 的对应关系及显微组织的变化规律。结果表明 , σ ε曲线上 , 在给定温度下 , 随着应变速率增大 , 应力增大 ;在固定应变速率时 , 随着温度升高 , 应力降低。随着应变速率增大 , TA2 的显微组织呈现细化趋势 , 并且组织中亚晶粒比例增加。TA2 高温变形的变形激活能Q为 3 47 60 18kJ·mol- 1 , 说明该金属的高温变形机制为杂质元素与位错相互作用的过程 , 得到了高温变形的本构方程。

关键词：

金属材料;钛合金;变形机制;本构方程;

中图分类号： TG115

收稿日期：2003-08-27

Study on High Temperature Deformation Mechanism of TA₂

Abstract：

The tensile deformation behavior of pure Ti (TA 2) was investigated at 700, 750, 800 ℃ and 4.5, 12, 45 mm·min -1 simultaneously. True stress ture strain ( σ ε ) curve and microstructures evolution were also analyzed. At certain temperatuer, σ increase with the strain rate increasing. Fixed the strain rate, σ decreases with the testing temperature enhancing. With the strain rate increasing, microstructure of TA 2 shows the refined tendency and the percentage of sub microstructure increase. The deformation activation energy of TA 2 at the testing condition is 347.6 kJ·mol -1 , resulting in that the deformation mechanism is controlled by interval atoms reaction with the dislocations. The deformation constitutive equations were obtained.

Keyword：

metal materials; titanium alloy; deformation behavior; true stress ture strain ( σ ε ) cruve; constitutive equations;

Received： 2003-08-27

在加工中, 变形力的计算是获得高精度尺寸的核心问题, 而变形力取决于材料的变形抗力和加工工艺。近年来, 有限元分析在塑性分析中得到广泛的应用, 建立精确的变形抗力模型成为可能。研究变形抗力的变化过程可从宏观上了解材料在变形过程中微观组织和性能的变化, 研究塑性变形机理。本次试验采用高温拉伸的方法, 研究了纯钛TA₂高温热变形的变形机制。

1 高温变形抗力试验

试验用料为TA₂的工业纯钛, 其成份见表1 ^[1] 。

棒料加工成M12×1.75的高温拉伸试样。试验中采用的变形温度为700～800 ℃, 变形速度为4.5, 12, 45 mm·min^-1。试验是在动静电液伺服系统CSS-280型拉伸试验机上进行。具体试验方案见表2。 700 ℃拉伸试验的σ-ε曲线以及金相组织见图1。

由σ-ε曲线表明材料在热加工过程中发生了动态再结晶 ^[2] , 从图 (a) 可以看出, 曲线的形状, 在高应变速率的情况下应力随应变不断增大, 直至达到峰值后又随应变下降, 最后达到稳定态。由此可知, 在峰值之前, 加工硬化占主导地位, 在金属中只发生部分再结晶, 硬化作用大于软化作用。在应力达到极大值后, 随动态再结晶的加快, 软化作用开始大于硬化作用, 于是曲线下降, 当由变形造成的硬化与再结晶所造成的软化达到平衡时, 曲线进入稳定态阶段。

在低应变速率下, 与其对应的稳定阶段的曲线呈波浪形状变化, 这是由于反复出现动态再结晶-变形-动态再结晶, 即交替进行软化-硬化-软化而造成的。 750 ℃拉伸试验的σ-ε曲线以及金相组织见图2。从σ-ε曲线图可以看出, 变形开始时, 应力先随应变而增大, 但增加率越来越小, 继而材料开始均匀塑性变形, 即开始流动, 并发生加工硬化, 最后曲线转为水平, 加工硬化率为零, 达到稳定态, 在应力大于σ_0.2的作用下, 可以实现持续形变。相应的金属内部的显微组织也发生变化。应变速率越慢, 亚晶的尺寸越大。 800 ℃拉伸试验的σ-ε曲线以及金相组织见图3。

表1 试验用钛材的化学成份 (%)

Table 1 Titanium chemical composition

工业纯钛	杂质元素含量/%
工业纯钛	Fe	Si	C	H	O	N	aTi
TA₂	≤0.30	≤0.15	≤0.10	≤0.05	≤0.15	≤0.05	余量

表2 试验方案

Table 2 Examination scheme

试验编号	变形温度/℃	变形速度/ (mm·min^-1)
1	700	4.5
2	700	12
3	700	45
4	750	4.5
5	750	12
6	750	45
7	800	4.5
8	800	12
9	800	45

图1 700 ℃拉伸试验的σ-ε曲线以及金相组织 (a) σ-ε 曲线; (b) 0.016 s; (c) 0.00625 s; (d) 0.0625 s

Fig.1 σ-ε curve and metallography of tensile test at 700 ℃

由于变形温度的升高, 亚晶晶粒长大, 变形过程中, 动态再结晶的软化作用远大于加工硬化, 变形很小时就发生了动态恢复, 然后发生均匀塑性变形, 开始流动, 加工硬化率为零。

2 变形机制分析

要弄清材料的高温变形机制, 就需求得变形激活能Q, 应变速率和温度对流动应力的影响。在高温变形过程中, 上述因素之间的关系, 可用Arrhenuis 方程表示:

ε˙=A?σn?exp(?Q/RT)???(1)

式中: σ-应力; ε-应变速率; Q-激活能; n-应力指数、 A-材料常数; R-气体常数; T-绝对温度

由 (1) 式可得:

Q=n·R·lnσ (1/T) (2)

由 σ=K?ε˙m 得:

m=lnσ/lnε˙???(3)

式中: σ-应力; m-应变速率敏感指数 (m=1/n) ; K-材料常数。根据曲线斜率法, m值可通过求 lnσ?lnε˙ 曲线两个应变速率的变化来计算, 通过lnσ-1/T曲线斜率及n, R值由 (2) 式求得Q。

图4和5为TA₂的 lnσ?lnε˙ 和lnσ-1/T曲线。由图4可知, 材料的 lnσ?lnε˙ 曲线为直线, 其斜率即为m (n=1/m) ; 由图5可知, 不同 ε˙ 条件下, lnσ-1/T曲线为直线, 其斜率和式 (2) 可求得TA₂高温变形的激活能Q。表3为TA₂高温变形的激活能Q值和n值。

材料的本构方程是描述材料成形过程的基本信息, 表明在热加工过程中变形力参数之间的数量依赖关系, 即流变应力、应变速率和温度之间的依赖关系。建立本构方程有多种方法 ^{[4,5,6,7,8,9,10]} , 由图5的lnσ-1/T曲线几乎为直线, 说明采用Arrhenius方程建立TA₂高温变形的本构方程是合适的。

图2 750 ℃拉伸试验的σ-ε曲线以及金相组织 (a) σ-ε curve; (b) 0.0625 s; (c) 0.016 s; (d) 0.00625 s

Fig.2 σ-ε curve and metallography of tensile test at 750 ℃

图3 800 ℃拉伸试验的σ-ε曲线以及金相组织 (a) σ-ε curve; (b) 0.0625 s; (c) 0.016 s; (d) 0.00625 s

Fig.3 σ-ε curve and metallograply of tensile test at 800 ℃

图5 lnσ-1/T曲线

Fig.5 lnσ-1/T curve

图4 lnσ-ln﹒ε曲线Fig.4 lnσ-ln﹒εcurve

表3 TA2高温变形的激活能Q值 (kJ·mol-1) 和n值

Table 3 TA₂high temperament distortion′s Q and n

应变率/ s^-1	700 ℃		750 ℃		800 ℃
应变率/ s^-1	n	Q	n	Q	n	Q
0.0625	11.2	400.2096	5.37	191.8862	3.67	131.1401
0.0167		604.968		290.0606		198.2351
平均^*	11.2	577.0464	5.37	276.6731	3.67	189.0857

* n=6.75, Q=347.6018 kJ·mol^-1

在 (1) 式中已求得了n值和Q值, 采用线性回归处理法, 求得参数A=3.9752, 所以本构方程为:

ε˙=3.9752?σ6.75?exp(?3476018/RT)

利用ORIGIN4.1软件绘制出TA₂变形的应力-应变速率-温度之间的三维图形, 如图6所示, 从中可直观地了解TA₂变形过程中的应力随温度和变形速率变化的关系。

不同钛合金、不同研究者求得的Q和n不同, 在总结前人研究结果基础上汇总了纯钛变形的一些主要数据 ^[2] , 本次试验求得的Q=347.6 kJ·mol^-1, n=6.75, Q值与变形激活能相等, 说明主要变形机制是位错运动引起的滑移 ^[2] , n值高于表中所列值, 表明这种材质中的杂质元素对位错运动有阻碍作用, 主要是形成间隙式或置换式两种固溶体的强化作用, 形成间隙固溶体的杂质主要是O, N, H, C等, 这些杂质可造成严重的晶格畸变, 强烈阻碍位错运动; 形成置换式固溶体的杂质主要有Fe, Si等, 这些杂质造成的晶格畸变不如间隙式杂质严重, 对塑性及韧性的影响程度也小于间隙式杂质的影响 ^[3] 。