纯镍与GH3625合金热压缩行为研究及本构解析

2.3铸态纯镍及GH3625合金的本构方程 金属热压缩变形行为本质上是热激活过程，只
有激活能达到要求,热变形过程才能进行 .激活能还 控制着金属在热变形过程中的流变应力 •本构关系 反映了材料本构行为的规律，同时本构方程也是求 解计算塑性成形问题的基本方程以及确定金属热
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兰州理工大学学报
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-3 -2 -1
0
1
2
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In e/s-1
第47卷第3期 2021年6月
兰州理工大学学报 Journal of Lanzhou University of Technology
文章编号：1673-5196(2021)03-0001-09
Vol. 47 No. 3 Jun 2021
纯鎳与GH3625合金热压缩行为研究及本构解析
刘德学门，，权兆东】，李 亮1，张 啸1，贾 智12
Investigated on hot compression behavior and constitutive analysis of pure nickel and GH3625 alloy
LIU De-xue1，, QUAN Zhao-dong1, LI Liang1, ZHANG Xiao1, JIA Zhi1，
In a = — In e 一B1
(4)
ni
400
300 £ W 200
・ 900 °C ▲ 1 000 °C ・ 950 °C ▼ 1பைடு நூலகம்200 °C
100
0
-3 -2 -1
0
1
2
3
In e/s-1
(a) ln&Q关系
6 r ・ 900 °C，1 000 °C • 950 °C ▼ 1 200 °C
应变速率e/sT 峰值应力a/MPa
207
499.34
141. 17
40492
94. 81
35256
90. 96
11673
应变速率1 sT 应变速率e/sT 峰值应力a/MPa
260
712
19162
56959
14519
47655
7409
18417
应变速率10 sT
应变速率e/sT 峰值应力a/MPa
(1. College of Materials Science and Engineering, Lanzhou Univ.of Tech. , Lanzhou 730050, China； 2. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals, Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou 730050, China)
犜厂C
900 950 1 000 1 200
表1铸态纯镍及GH3625合金在不同变形参数下的峰值应力
Tab. 1 Peak stress of as-cast pure nickel and GH3625 alloy under different deformation parameters
应变速率0. 1 sT
Key words: pure nickel; GH3625 alloy； constitutive equation； processing map; rheological behavior
纯镍及镍基高温合金得益于优良的耐蚀性能, 在高温高压熔盐腐蚀环境中能够长期服役本研 究以纯镍及GH3625镍基高温合金为研究对象，探 明二者在热变形行为中流变行为、峰值应力等的相 对变化趋势，并结合组织特征加以分析•有别于钢 铁、铜、铝等其他传统金属材料，纯镍及镍基高温合 金在热加工时,只能在相对窄的温度区间囚内出现
图2为GH3625合金在同一应变速率下，不同 温度（900、950、1 000、200 C）条件下热压缩真实 应力-应变曲线.由图2q〜2c可知，合金同样经历了 弹性压缩变形阶段以及稳态流变阶段.从图中可观 察到,当应变速率相同时,随热压缩变形温度升高, 合金的流变应力逐渐降低，动态再结晶临界应变量 逐渐减小
图4不同应变速率GH3625合金真实应力-应变曲线 Fig. 4 The true stress-strain curve of GH3625 alloy with different strain rates
变速率下的真实应力-应变曲线，可发现随应变增 加,纯镍热压缩真实应力呈不断上升的趋势，与之相 反,GH3625合金热压缩真实应力则呈现出先升后 降的趋势，且GH3625热压缩峰值应力要显著高于 纯镍热压缩峰值应力.据上述分析可认为，合金化显 著提高了镍基材料的热压缩峰值应力.
cordingtotheanalysisoftheprocess map, theoptimum hotdeformationtemperatureofpurenickelis
1 050 C, the strain rate is 0. 1 s_1, the optimum deformation temperature of Inconel alloy is about 1 170 C, the strain rate is 0. 1 s_1.
收稿日期：2020-11-10 基金项目：国家自然科学基金(51664041),甘肃省国际科技合
作专项(20YF8WA064) 通讯作者：刘德学(1979-),男，甘肃镇原人，教授，博导.
Email：dexeliu@hotmail. com
适宜的稳定塑性窗口 •为探究上述现象与变形温度 及应变速率的内在关联机制,本研究通过热压缩实 验确定了铸态纯镍及GH3625合金在900-1 200 C、应变速率0.1〜10 sT参数区间内的本构方程.同 时绘出了两者热加工图,并结合稳定区和失稳区所对 应组织的对比分析，探明铸态纯镍与GH3625合金在 热变形期间流变行为与组织演化规律•通过对比纯镍 与GH3625合金的热压缩真实应力-应变曲线，阐明 合金化对镍基材料热压缩峰值应力的影响规律.
27353
74033
21335
67041
18634
60314
10738
28306
挤压过程工艺参数的重要依据.表1为铸态纯镍及 GH3625合金在不同热压缩参数下的峰值应力.
描述金属材料在高温塑性变形过程中的本构方 程有3种⑼，在低、高以及所有应力水平下分别为：
^ Z =sex.p 犚 =A1(yn Qa 0. 8) (1)
2结果与讨论
2.1温度对铸态纯镍及GH3625合金热变形行为 的影响
图1为纯镍在同一应变速率下，不同温度（900、 950,1 000、000 C）条件下热压缩时的真实应力应变曲线.由图h〜1c可知,不同温度下的真实应
力-应变曲线均表现出了压缩弹性变形阶段 、加工硬
化阶段以及稳态流变阶段.在压缩弹性变形阶段，真 实应力随应变量增加呈线性增加趋势;在加工硬化
阶段,真实应力增速放缓并达到峰值应力.在稳态流 变阶段，试样加工硬化与动态回复以及再结晶过程 达到动态平衡,在应变量继续增加的同时真实应力
保持稳定至实验结束.当应变速率相同时，流变应力 与变形温度存在强烈的关联性,随变形温度不断升 高,纯镍的流变应力逐渐降低，动态再结晶临界应变 量逐渐减小[6-8].
Abstract: Hot compression deformation experiment of pure nickle and GH3625 alloy were conducted on a
Gleeble-3500 thermomechanical simulator at a 900 to 1 200 °C, a deformation rate range of 0. 1 〜10 s_1 and a deformation of 60%. The constitutive equation of pure nickel and GH3625 alloy were constructed. The processing map which under diferent deformation parameters were drawn and the microstructure characteristics of the stable and unstable regions of the processing map were analyzed. During the hot com­ pression deformation of pure nickel, it was found that the grain appears to hierarchical diferentiation. Ac-
（C）应变速率10sT
图1不同温度纯镍真实应力-应变曲线 Fig. 1 The true stress-strain curve of pure nickel at different temperatures
Fig. 2 The true stress-strain curve of GH3625 alloy at different temperatures
犣=eexp 犚犜]"2 [sinhQa))
(a〉1. 2)
(2)
Z =eexp犚犜」=A [sinh(a)] n
(a为任意值)
(3)
式中:A、Ai、犃2、n、、为与温度无关的常数，且满
足 a=^/n,表示峰值应力，表示应变速率;Q为
压缩过程激活能;犚为摩尔气体常数;犜为热力学
温度.分别对式(1、2)两边取对数可得：
(1.兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州730050； 2.兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃 兰州 730050)
摘要：利用Gleeble-3500热模拟试验机对铸态纯镍及GH3625合金在变形温度900〜1 200 C、应变速率0. 1〜 10 st、应变量60%条件下，进行了热压缩实验.研究分析了纯镍以及GH3625合金的热塑性变形规律，并构建了 本构方程,绘制了 2种材料不同变形参数下的热加工图，分析了热加工图稳定与失稳区所对应的组织特征.研究发 现纯镍在热压缩变形时，失稳区组织出现晶粒层级分化现象.通过对热加工图分析研究，确定纯镍最优热变形温度 为1 050 C,最优应变速率为0. 1 sT；GH3625合金最优变形温度为1 170 C,最优应变速率为0. 1 s^1. 关键词：纯镍；GH3625合金；本构方程；加工图；流变行为 中图分类号：TG113. 2 文献标志码：A
通过对比纯镍与GH3625合金在不同温度及应
第3期
刘德学等:纯镍与GH3625合金热压缩行为研究及本构解析
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图3不同应变速率铸态纯镍真实应力-应变曲线 Fig. 3 True stress-strain curves of as-cast pure nickel with different strain rates
1实验方法
热压缩试验在Gleeble-3500热模拟实验机上进
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兰州理工大学学报
第47卷
行,为减少摩擦的影响,在压头两端放置钽片作为润 滑，试样尺寸为①8 mmX 12 mm的圆柱形试样.实 验温度分别为900、950、1 000、1 200 °C,应变速率 分别为0. 1、1、10 s—1,压缩量为60%.为保证实验 数据的可靠性，每组测试试样准备3个平行试验.试 样经过等温压缩后,瞬间将其置入冷水中,以保存其 高温瞬间内部组织.采用线切割机将试样沿直径方 向通过圆心切开，然后对试样进行打磨和抛光.选用 3 mL HNO3和9 mL HC1的混合溶液化学腐蚀 1〜3 min.通过ZEISS金相显微镜观察显微组织.
2. 2应变速率对铸态纯镍及GH3625合金热变形 行为的影响 图3q〜3d为铸态纯镍在温度为900、950、
1 000、200 C条件下，应变速率分别为0.1、1、10 s—1 时的真实应力-应变曲线.由图3可知，当变形温度 保持不变时,随应变速率上升,流变应力也呈上升趋
势，但不明显.图4q〜4d分别为GH3625合金在温 度为900、950、1 000、200 C条件下，应变速率为 0.1、1、10 s—1时的真实应力-应变曲线.由图4可 知,当变形温度保持不变时,随应变速率上升,流变 应力明显上升