TC4_DT钛合金的热变形行为研究

TC4-DT 合金显微组织影响显著， 随着变形温度的升高及应变速率的降低，片层组织球化现象越明显；应变速率敏感
指数随变形温度的升高而增大；在本实验条件下，TC4-DT 合金的热变形激活能为 603.51 kJ/mol，表明该合金的热
变形主要是由高温扩散以外的过程控制，认为有动态再结晶发生。
关键词：TC4-DT 合金； 热变形； 本构方程
Abstract：The hot deformation behavior of TC4-DT alloy was investigated by Gleeble-1500 simulator at the deformation degree of 0.5, the temperature range from 750 ℃ to 950 ℃ and the strain rate range from 0.001 s-1 to 10 s -1. The laws of microstructure evolvement and the characteristic of flow stress were analyzed, the constitutive equation was presented. The results indicate that the flow stress rises with strain rate increasing and temperature decreasing. The microstructure evolvement is severely affected by temperature and strain rate, the globularing processes is more and more apparent with temperature increasing and strain rate decreasing. The strain rate sensitivity exponent (m) is going up with temperature increasing. The hot deformation activation energy (Q) is 603.51 kJ/mol, which shows that the deformation of TC4-DT alloy isn't controlled by high temperature diffusing processes, and the dynamic recrystallization occurs.
图 3 为应变速率为 0.1 s-1 时，TC4-DT 合金在 各变形温度下的真应力-真应变曲线。 可以看出， 随变形温度升高，合金的峰值应力降低，流变应力 的下降速度减缓， 在 950 ℃流变应力基本保持恒
True stress/MPa
350 ε觶=0.1s -1
300
250
750℃
200
800℃
容 限 性 能 方 面[4-5]，对 其 热 变 形 行 为 的 研 究 较 少 ， 因 此本文主要研究 TC4-DT 合金热压缩变形过程中 变形温度及应变速率对流变应力和显微组织的影 响， 建立合金的 Arrhenius 型热变形本构方程，为 制订生产工艺参数提供一定的理论参考。
1 实验材料和方法
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Hot Working Technology 2009, Vol.38, No.12
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
定。这主要是因为变形温度的升高，材料的热激活 作用增强，原子平均动能增大，晶体内产生滑移的 临界分切应力减小， 减小了对材料位错运动和晶 面间滑移的阻碍。并且随着温度的升高，动态回复 和动态再结晶等软化机制更容易进行， 使得位错 密度降低， 抵消了使合金流变应力增大的加工硬 化效应。此外，合金在变形过程中也可能发生微观 组织的演变，如 α→β 相变、片状组织球化等，这些 都会对 TC4-DT合金的流变应力有一定的影响。 2.2.2 应变速率对流变应力的影响
摘 要 ：利 用 Gleeble-1500 型 热 模 拟 压 缩 试 验 机 ，研 究 了 TC4-DT 合 金 在 750～950 ℃、应 变 速 率 为 0.001～ 10 s-1、变形量为 50%条件下的热变形行为，分析了该合金的流变应力变化特点及显微组织演变规律，建立了该合
金 的 Arrhenius 型 本 构 方程。 结果表明：流变应力随变形温度降低及应变速率增大而升高；变形温度与应变速率对
Key words：TC4-DT alloy; hot deformation; constitutive equation
钛合金以其密度小，比强度高，耐高温，耐蚀， 可焊等优良特性而成为航空航天领域一种重要的 结构材料。 近年来， 随着损伤容限准则在结构材 料设计中的广泛应用，损伤容限型钛合金受到更 多的重视[1]。 TC4-DT 合金是我国研发的一种具有 自主知识产权的损伤容限型钛合金， 它是在普通 TC4 合金基础上通过成分设计优化、纯净化熔炼和 β热加工工艺等途径获得的，该合金在具有一定强度 水平(900 MPa)的同时，还具有较低的裂纹扩展速率 da/dN 和较高 的 断 裂 韧 性 K1C (≥90 MPa·m1/2)，可
150
850℃
100
900℃
50
950℃
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 True strain
图 3 TC4-DT 合金的真应力-真应变曲线 Fig.3 True stress-true strain curves of TC4-DT alloy
compressed at different temperature
远大于它们其原因可能是低温下tc4dt合金中能开动的滑移系较少无法通过由扩散控制的回复机制得到有效释放说明在此条件下tc4dt合金的热变形是由高温扩散以外的过程控制11同时观察合金的流变应力曲线发现其变化过程呈动态再结晶型曲线的特征表明动态再结晶软化机制在合金的热变形过程占据主导地位因此认为tc4dt合金的热变形过程中有动态再结晶发生
收 稿 日 期 :2008-12-30 作者简介:刘青(1983-),男,安 徽 阜 阳 人,硕 士 研 究 生,主 要 研 究 方 向
为 钛 合 金 热 变 形 行 为 ; 电 话 :15809262131; E-mail:lqing8396@
作 为 重 要 的 结内对 TC4-DT 合金的研究主要集中在损伤
从图 2 还可看出， 流变应力随应变速率增大 而增大，随温度升高而降低。 同时，随变形温度的 升高，达到峰值应力所需的应变逐渐减小，变形温 度为 900 ℃、应变速率为 0.001 s-1 时，峰值应力对 应的真应变仅为 0.01， 这主要是因为变形温度的
升高，合金的内能及原子扩散能力增强，软化机制 容易发生，使得峰值应力对应的应变减小。 2.2 热变形参数对合金流变应力的影响 2.2.1 变形温度对流变应力的影响
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
TC4-DT 钛合金的热变形行为研究
刘 青 1, 薛祥义 1, 付宝全 1, 2, 王一川 3
(1. 西北工业大学 凝固技术国家重点实验室, 陕西 西安 710072; 2. 西部超导材料科技有限公司, 陕西 西安 710016; 3. 西安西工大超晶科技发展有限责任公司, 陕西 西安 710000)
一般情况下， 应变速率对流变应力的影响主 要取决于塑性变形过程中材料内部所发生硬化和 软化的程度。增加变形速率，一方面使得可动位错 的数目和速度增加，提高临界剪应力，导致变形阻
力增加；另一方面也会增加变形过程中的热效应， 降 低 变 形 抗 力[8]。
从 图 2 可 看 出 ，TC4-DT 合 金 的 流 变 应 力 随 着应变速率的增大而升高， 这主要是合金中位错 运动的结果，应变速率的增加，变形时间缩短，单 位时间内塑性变形量增加， 合金中生成大量新位 错，使得合金内部的畸变程度加剧，而合金来不及 进行动态回复和动态再结晶或是进行不充分，位 错得不到有效释放，导致流变应力增加。 2.3 微观组织演变
实验材料选用 TC4-DT 合金成品棒材， 用金 相法测得合金的相变点为 (970±5)℃。 原材料经 1000 ℃保温 1 h 空冷处理， 其显微组织为粗片层 魏氏组织，如图 1 所示。将试样线切割成热压缩标 准试样，尺寸为 准8 mm ×12 mm。
《热加工工艺》 2009 年第 38 卷第 12 期
速率条件下的真应力-真应变曲线。 可以看出， 合金在不同应变速率下的真应力-真应变曲线变 化规律很相似 ， 即变形初始阶段， 合金发生加工 硬化效应，流变应力随应变增加而急剧增大， 在 很小的应变下流变应力达到峰值； 而后软化机制 占据主要地位， 流变应力随应变增加而逐渐下 降， 发生软化现象。 在同一温度下， 流变应力随
图 4 为 TC4-DT 合金在不同热压缩变形条件 下的显微组织。 可以看出， 不同热变形条件下得 到的组织形貌相差较大， 说明变形温度和变形速 率对合金显微组织的影响显著。
图 4(a)、(b)、(c)为在同一变形温度(800 ℃)、不 同 变 形 速 率 条 件 下 ，TC4-DT 合 金 热 压 缩 变 形 显 微组织。 在应变速率为 10 s-1 时，变形组织基本保 持原始组织特征， 但 α 片层发生不同程度的弯 折， 说明在此条件下 TC4-DT 合金的变形时间较 短，动态再结晶行为来不及充分进行，合金片层组 织只发生形态上的改变 。 当应变速率 为 1 s-1 时， 合金中有少部分片层演变为等轴状， 但大部分还 保持原始组织特征； 当应变速率降低到 0.001 s-1 时，片层组织球化现象明显，合金中已清楚地观察 到大量等轴晶粒， 这表明应变速率对 TC4-DT 合 金影响显著，随变形速率的减小，TC4-DT 合金中
(1. State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China; 2. Western Superconducting Technologies Co., Ltd., Xi'an 710016, China; 3. Xi'an Super-crystals Science ＆ Technology Development Co.,Ltd., Xi'an 710000, China)
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材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2009 年 6 月
100μm 图 1 TC4-DT 合金的原始组织 Fig.1 The original microstructure of TC4-DT alloy
在 Gleeble-1500 型热模拟试验机上对试样进 行恒温、恒应变速率条件下的热压缩变形，试样采 用电阻加热法，加热速度为 20 ℃/s，到达试验温度 后保温 5 min 使试样内部温度均匀；压缩过程中， 通入氩气，防止试样氧化。 变形温度分别为 750、
800 、850 、900 和 950 ℃， 应变速率分别为 0.001、 0.01 、0.1 、1.0 、和 10 s-1，变形量为 50%。 整个实验 过程中试验机自动记录压缩数据， 通过自带的分 析功能直接获得真应力-真应变曲线。
2 实验结果及讨论
2.1 真应力-真应变曲线 图 2 是 TC4-DT 合金在不同变形温度和应变
应变速率增大而增大，即变形速率越大，变形抗力 就越大。
在金属材料的热变形过程中， 一般认为是加 工硬化和软化机制交互发生作用， 并最终达到平 衡状态[6]。 钛合金热变形过 程中的软化 机制主要 有动态再结晶和动态回复[7]。 通常情况下，当动态 再结晶机制占据主要地位时， 合金中发生再结晶 行为，使位错密度降低，合金的流变应力软化现象 明显， 真应力-真应变曲线表现出较大幅度的下 降趋势。 由图 2 可知，TC4-DT 合金的流变应力随 应变的增加快速下降， 真应力-真应变曲线表现 出动态再结晶型曲线特征， 认为合金在热变形过 程中有动态再结晶发生。
中 图 分 类 号 ：TG146.23
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2009)12-0043-05
Study on Hot Deformation Behavior of TC4-DT Titanium Alloy
LIU Qing1, XUE Xiangyi1, FU Baoquan1,2, WANG Yichuan3