Ti-62A合金动态软化速率异常的热力学解释及其应变补偿本构方程
发布时间：2021-11-24 03:57
使用Gleeble-3800热模拟试验机研究了Ti-62A合金在变形温度为800～950℃、应变速率为0.001～10 s-1条件下的热压缩变形行为。结果表明,随着变形温度的提高出现Ti-62A合金的动态软化率降低的反常现象。（α+β）双相钛合金中Mo、Cr等β稳定元素的原子活性随着温度的升高而逐渐降低和β相比例增大,Jmatpro软件的热力学计算表明（α+β）双相钛合金的这一现象与此有密切关系。而α钛合金和β钛合金出现动态软化速率降低,与加工温度升高β相比例增大的关系更密切。从800℃升高到950℃,Ti-62A合金中β相的比例由32.1%提高到84.3%,Mo、Cr活性的降幅均达到64%。这些因素使变形过程中Ti-62A合金的晶界迁移速度和动态软化速率均随变形温度升高而降低,其950℃的真应力-应变曲线多为典型的动态回复型。α相的含量随着变形温度的提高而降低,且在较高的变形温度下β相的晶粒尺寸也较为粗大。构建的基于应变补偿的Ti-62A合金Arrhenius变形抗力模型,能较好地预测合金的流变应力行为,其相关系数R达到0.990,预测值与实测值的平均相对误差为8.983%。
【文章来源】：材料研究学报. 2020,34(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
实验用Ti-62A合金的原始组织
图5给出了Ti-62A合金在应变速率为0.001 s-1、不同温度下热压缩变形后的金相照片。变形温度为800℃时，合金的显微组织由片状的初生α相和β转变组织组成(图5a)；变形温度为850℃时片状α相的数量减少，β转变组织的尺寸增大(图5b)；变形温度为900℃时α相发生了动态再结晶或球化，β相发生再结晶，产生新的等轴β晶粒(图5c)；变形温度为950℃时β晶粒完全回复与再结晶，出现粗大的等轴β晶粒，α相几乎消失(图5d)。可以看出，随着变形温度的升高β晶粒通过晶界迁移粗化，使变形合金中β相的比例增高。这表明，随着变形温度的升高更多的α相向β相转变。这个转变需要能量且随着变形温度的升高Ti-62A中主要合金元素Cr、Mo的活性降低，使流变应力曲线表现出的应变软化速率随着变形温度的升高反而降低。图4 钛合金中α相和β相的比例随温度的变化
无论应变速率多大，Ti-62A合金的动态软化速率都随着变形温度的提高而降低。变形温度较低(800℃)时流变应力曲线大多为动态软化型，而变形温度较高(950℃)时流变应力曲线大多属于动态回复型，中间变形温度(850℃)的流变应力曲线大多属于动态再结晶型，如图2所示。结果表明[15～18]，随着变形温度的提高流变应力曲线表现出的动态软化速率都是降低的。本文根据热力学理论解释这种反常现象。使用JmatPro材料模拟软件分别计算了Ti-62A合金、TC11合金[15]、工业纯钛[19]和TB17合金[23]中关键元素的原子相对活性，结果如图3所示。从图3a可见，温度对Ti-62A合金中Cr和Mo两种元素的原子活性有显著的影响。从800℃升高到950℃，Cr和Mo的原子活性都显著降低。Cr原子的活性从0.206降低到0.074(降幅达到64.1%),Mo的降幅也达到64.3%。温度对TC11合金中Mo元素的原子活性也有显著的影响，从300℃升高到950℃元素Mo的原子活性显著降低(图3b)，从0.613降低到0.034(降幅达94.5%)。但是，温度对工业纯钛和TB17合金中各元素的原子活性并没有显著的影响(图3c和3d)。a型钛合金[19～22]和β型钛合金[23,24]的热加工流变应力曲线都表明，随着加工温度的升高动态软化速率降低。为此，本文使用JmatPro材料模拟软件分别计算了Ti-62A合金、工业纯钛和TB17合金中α和β相的比例(图4)。可以看出，三种合金中β相的含量均随着变形温度的升高而提高。温度由800℃升高到950℃，Ti-62A合金中的β相含量由32.1%提高到84.3%，工业纯钛和β钛合金中β相的比例均已提高到100%。在三种钛合金的高温变形过程中都可能存在形变诱导α相向β相的转变(存在晶体结构有hcp结构向bcc结构的转变)，消耗部分变形能使其在较高温度下变形的动态软化率较低。可以推测，α型钛合金和β型钛合金出现动态软化率随变形温度升高而降低的现象和相比例的变化，与β相比例的增大密切相关；但是，α+β双相钛合金的这一现象则可能是主要合金元素Mo、Cr等β稳定元素的原子活性随温度升高逐渐降低与β相比例增大共同作用的结果。这表明，合金元素、相比例和变形温度对Ti-62A合金的热变形行为都有显著的影响。这种合金的a→β相的转变温度约为965℃，即随着变形温度(800～950℃)的提高变形试样中β相的比例增大。上述两种元素在β相(bcc结构)中的活性较低，导致上述反常现象。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TC4钛合金高温压缩变形行为与组织演变[J]. 刘昆,黄海广,秦铁昌,李志敏,余堃,肖寒,周荣锋. 特种铸造及有色合金. 2019(09)
[2]工业纯钛TA2热变形过程的流变行为本构方程[J]. 柴希阳,高志玉,潘涛,柴锋,杨志刚,杨才福. 工程科学学报. 2018(02)
[3]航空用TA15钛合金热变形行为研究[J]. 熊运森,王茜茜,向伟,谢静,陈雷,刘鑫刚,郭宝峰. 塑性工程学报. 2017(03)
[4]TA17钛合金热变形行为及加工图[J]. 任万波,李军,于辉,王莹. 钢铁钒钛. 2017(02)
[5]TA15钛合金热变形行为及加工图研究[J]. 杨军,王永强,李献民,檀雯. 中国钛业. 2015(02)
[6]Mechanical properties and microstructure of an α+β titanium alloy with high strength and fracture toughness[J]. YU Yang, HUI Songxiao, YE Wenjun, and XIONG Baiqing State Key Laboratory for Fabrication and Processing of Nonferrous Metals, General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China. Rare Metals. 2009(04)
[7]半固态材料触变成形通用本构方程及其优化[J]. 余小鲁,李付国,李淼泉. 机械工程学报. 2007(10)
[8]航空用钛合金的研究与应用进展[J]. 付艳艳,宋月清,惠松骁,米绪军. 稀有金属. 2006(06)
[9]热处理对Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-X系合金性能的影响[J]. 于洋,惠松骁,叶文君,王希哲,张翥. 金属热处理. 2005(12)
硕士论文
[1]TB17钛合金热变形行为及显微组织演变模拟研究[D]. 周盛武.南昌航空大学 2018
[2]基于摩擦修正的新型β钛合金热变形行为与加工图研究[D]. 何丹.西安建筑科技大学 2016
[3]TC21钛合金热态变形行为及加工图[D]. 戴俊.南昌航空大学 2015
[4]TC11钛合金热变形行为及其组织演变规律的研究[D]. 江想莲.东北大学 2011
[5]Ti-6Al-2Sn钛合金高温变形力学行为研究[D]. 张慧芳.中北大学 2009
本文编号：3515186
【文章来源】：材料研究学报. 2020,34(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
实验用Ti-62A合金的原始组织
图5给出了Ti-62A合金在应变速率为0.001 s-1、不同温度下热压缩变形后的金相照片。变形温度为800℃时，合金的显微组织由片状的初生α相和β转变组织组成(图5a)；变形温度为850℃时片状α相的数量减少，β转变组织的尺寸增大(图5b)；变形温度为900℃时α相发生了动态再结晶或球化，β相发生再结晶，产生新的等轴β晶粒(图5c)；变形温度为950℃时β晶粒完全回复与再结晶，出现粗大的等轴β晶粒，α相几乎消失(图5d)。可以看出，随着变形温度的升高β晶粒通过晶界迁移粗化，使变形合金中β相的比例增高。这表明，随着变形温度的升高更多的α相向β相转变。这个转变需要能量且随着变形温度的升高Ti-62A中主要合金元素Cr、Mo的活性降低，使流变应力曲线表现出的应变软化速率随着变形温度的升高反而降低。图4 钛合金中α相和β相的比例随温度的变化
无论应变速率多大，Ti-62A合金的动态软化速率都随着变形温度的提高而降低。变形温度较低(800℃)时流变应力曲线大多为动态软化型，而变形温度较高(950℃)时流变应力曲线大多属于动态回复型，中间变形温度(850℃)的流变应力曲线大多属于动态再结晶型，如图2所示。结果表明[15～18]，随着变形温度的提高流变应力曲线表现出的动态软化速率都是降低的。本文根据热力学理论解释这种反常现象。使用JmatPro材料模拟软件分别计算了Ti-62A合金、TC11合金[15]、工业纯钛[19]和TB17合金[23]中关键元素的原子相对活性，结果如图3所示。从图3a可见，温度对Ti-62A合金中Cr和Mo两种元素的原子活性有显著的影响。从800℃升高到950℃，Cr和Mo的原子活性都显著降低。Cr原子的活性从0.206降低到0.074(降幅达到64.1%),Mo的降幅也达到64.3%。温度对TC11合金中Mo元素的原子活性也有显著的影响，从300℃升高到950℃元素Mo的原子活性显著降低(图3b)，从0.613降低到0.034(降幅达94.5%)。但是，温度对工业纯钛和TB17合金中各元素的原子活性并没有显著的影响(图3c和3d)。a型钛合金[19～22]和β型钛合金[23,24]的热加工流变应力曲线都表明，随着加工温度的升高动态软化速率降低。为此，本文使用JmatPro材料模拟软件分别计算了Ti-62A合金、工业纯钛和TB17合金中α和β相的比例(图4)。可以看出，三种合金中β相的含量均随着变形温度的升高而提高。温度由800℃升高到950℃，Ti-62A合金中的β相含量由32.1%提高到84.3%，工业纯钛和β钛合金中β相的比例均已提高到100%。在三种钛合金的高温变形过程中都可能存在形变诱导α相向β相的转变(存在晶体结构有hcp结构向bcc结构的转变)，消耗部分变形能使其在较高温度下变形的动态软化率较低。可以推测，α型钛合金和β型钛合金出现动态软化率随变形温度升高而降低的现象和相比例的变化，与β相比例的增大密切相关；但是，α+β双相钛合金的这一现象则可能是主要合金元素Mo、Cr等β稳定元素的原子活性随温度升高逐渐降低与β相比例增大共同作用的结果。这表明，合金元素、相比例和变形温度对Ti-62A合金的热变形行为都有显著的影响。这种合金的a→β相的转变温度约为965℃，即随着变形温度(800～950℃)的提高变形试样中β相的比例增大。上述两种元素在β相(bcc结构)中的活性较低，导致上述反常现象。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TC4钛合金高温压缩变形行为与组织演变[J]. 刘昆,黄海广,秦铁昌,李志敏,余堃,肖寒,周荣锋. 特种铸造及有色合金. 2019(09)
[2]工业纯钛TA2热变形过程的流变行为本构方程[J]. 柴希阳,高志玉,潘涛,柴锋,杨志刚,杨才福. 工程科学学报. 2018(02)
[3]航空用TA15钛合金热变形行为研究[J]. 熊运森,王茜茜,向伟,谢静,陈雷,刘鑫刚,郭宝峰. 塑性工程学报. 2017(03)
[4]TA17钛合金热变形行为及加工图[J]. 任万波,李军,于辉,王莹. 钢铁钒钛. 2017(02)
[5]TA15钛合金热变形行为及加工图研究[J]. 杨军,王永强,李献民,檀雯. 中国钛业. 2015(02)
[6]Mechanical properties and microstructure of an α+β titanium alloy with high strength and fracture toughness[J]. YU Yang, HUI Songxiao, YE Wenjun, and XIONG Baiqing State Key Laboratory for Fabrication and Processing of Nonferrous Metals, General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China. Rare Metals. 2009(04)
[7]半固态材料触变成形通用本构方程及其优化[J]. 余小鲁,李付国,李淼泉. 机械工程学报. 2007(10)
[8]航空用钛合金的研究与应用进展[J]. 付艳艳,宋月清,惠松骁,米绪军. 稀有金属. 2006(06)
[9]热处理对Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-X系合金性能的影响[J]. 于洋,惠松骁,叶文君,王希哲,张翥. 金属热处理. 2005(12)
硕士论文
[1]TB17钛合金热变形行为及显微组织演变模拟研究[D]. 周盛武.南昌航空大学 2018
[2]基于摩擦修正的新型β钛合金热变形行为与加工图研究[D]. 何丹.西安建筑科技大学 2016
[3]TC21钛合金热态变形行为及加工图[D]. 戴俊.南昌航空大学 2015
[4]TC11钛合金热变形行为及其组织演变规律的研究[D]. 江想莲.东北大学 2011
[5]Ti-6Al-2Sn钛合金高温变形力学行为研究[D]. 张慧芳.中北大学 2009
本文编号：3515186
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