TC4钛合金.pdf

第2 6 卷第4 期20 05 年8 月材料热处理学报T R A N S A C T I O N S0 FM A T E R I A L SA N DH E A TT R E A T M E N TV 0 1 26N o 4A u g u s t2 0 0 5T C 4 钛合金的热变形行为及其影响因素王清，李中华，孙东立，武高辉(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨1 5 0 0 0 1)摘要：利用G I e e b l e 1 5 0 0 热模拟机测试了T i 一6 A 1 4 V 合金在不同温度和不同应变速率下的真应力真应变曲线，观察热变形前后的组织，分析变形温度、应变速率、原始组织和热处理工艺对合金的热变形行为的作用及影响规律。结果表明，在应变速率为8 3 1 0。s 条件下，合金在6 0 0 0 C 热变形时软化机制以动态回复为主，8 0 0。C 至9 0 0。C 热变形时软化机制以动态再结晶为主；7 0 0。C 热变形时动态回复和动态再结晶可同时发生。淬火和时效可提高合金的热变形抗力。合金在6 0 0 变形时，热变形抗力对在8 3 1 0 s 一8 3x1 0 0 s 范围变化的应变速率敏感性较差；当应变速率降至8 3 1 0 s“时，热变形抗力有较大幅度的降低。在相同的变形条件情况下，魏氏组织的流变应力高于等轴组织。关键词：T i 一6 A 1 4 V 钛合金；热压缩变形；显微组织中图分类号：T G l 4 6 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 9 6 2 6 4(2 0 0 5)0 4 0 0 5 6 0 4钛合金的屈服极限与弹性极限比值较大，屈强比高，变形抗力和变形回弹量大，塑性较低，成型难度大，因此对钛合金多采用热成型方法。1。利用热模拟机对钛合金进行的热压缩试验研究。4。和利用其它方法对钛合金的高温力学性能和变形行为的研究“3。已有报道。为了解决钛合金的成型问题有必要进行热变形行为及其影响因素的研究，以便为热成形工艺的制订提供理论和试验依据。本文考察了变形温度、应变速率、热处理工艺对魏氏组织钛合金热变形行为的影响，对比分析了魏氏组织和(Q+B)等轴组织的热变形行为，对热变形前后的显微组织进行了观察，并讨论了合金在热变形过程中的软化机制。1材料及试验方法试验材料选用两种T C 4 合金热锻态棒料，其组织分别为魏氏组织和等轴组织。热压缩变形试验在G l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟机上进行，压缩试样为怊m m 1 2 m m 的圆柱，圆柱的轴向平行于原材料棒料的轴向。变形温度取6 0 0、7 0 0、8 0 0 和9 0 0，应变速率取8 3 1 0 s，8 3 1 0。2，s，和8 3 1 0 0 s，加热速度为1 0 s，保温时间为5 s，冷却时采用水冷。对具有魏氏组织的棒料采用9 0 0 0 C 固溶处理，试样真空封装在石英管中，保温0 5 h 后水淬。时效处收稿日期：2 0 0 4 0 7 2 7；修订日期：2 0 0 5 0 l 1 2基金项目：国家自然科学基金资助项目(5 0 3 7 1 0 2 1)作者简介：作者简介：王清(1 9 5 6 一)，男，博士，副教授，联系地址哈尔滨工业大学材料科学与工程学院国防科技热加工重点实验室。理工艺为5 0 0。C 保温4 h 后空冷。2 试验结果及分析2 1 变形温度对真应力一真应变曲线的影响魏氏组织试样分别经6 0 0、7 0 0。C、8 0 0 和9 0 0。C 热压缩变形后的真应力一真应变曲线如图1 所示。由图可知，在应变速率为8 3 1 0。3 s 的条件下，随着应变温度的增加，魏氏组织试样的真应力一真应变曲线下移。蛊善墨黑甚=声图1魏氏组织试样在不同变形温度下的真应力一真应变曲线(应变速率：8 3 1 0。s)F i g 1T r u es t r e s s t r u es t r a i nc u r v e so fT i 一6 A 1 4 Va l l o yw i t hw i d m a I l s t i i t t e ns t r u c t u r eo b t a i n e da ts t r a i nr a t e8 3 1 0 3，sa n dd i f f e r e n td e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e s由真应力一真应变曲线测得的流变应力峰值以及在不同应变量下流变应力的衰减幅度等值示于表1。压缩变形温度由6 0 0。C 升高至9 0 0。C，流变应力峰对应的应变量由0 1 3 减小至0 0 2，流变应力峰由5 3 6 M P a 下降至4 9 M P a；在此温度区间，温度每升高 万方数据第4 期王清等：T C 4 钛合金的热变形行为及其影响因素5 71 0 0，应力峰值分别下降3 6 9、4 2 0 和7 5 0，说明变形温度升高，材料的加工硬化能力减弱，热变形抗力减小的速度加快。在应变软化阶段，流变应力衰减的幅度基本上是随温度的升高而增大的；只是7 0 0 变形时流变应力的衰减幅度高于8 0 0 0 C，接近9 0 0 变形。应变为0 8时，流变应力下降幅度最大，达到4 8 5。6 0 0 变形时应力衰减的幅度最小，应变为0 5 和0 8 时，应力衰减的幅度分别为1 3 8 和2 1 6。由文献 4 可知，T C 4 合金静态再结晶温度区间为7 5 0 8 5 0，本试验结果亦显示6 0 0 变形时应力衰减的幅度低于7 0 0 以上温度变形。因此认为6 0 0 变形不发生动态再结晶，软化机制主要是动态回复。一般情况下7 0 0。C 不会发生再结晶，但是本试验中7 0 0 变形的应力衰减幅度(鲺，o。=3 5 8，。o，=4 8 5)高于6 0 0。C(鲡5 o，=1 3 8，鲺，o，=2 1 6)，甚至高于8 0 0。C(A t 05 a，=3 4 7，鲺5 仃。=4 1 8)，接近9 0 0。C(，石，=4 0 8，。o，=4 9 0)，故推断7 0 0 变形时可能发生了动态再结晶，从而导致流变应力随应变衰减的幅度急剧增大。在再结晶开始阶段，变形温度越高，发生再结晶所需临界变形量越小，再结晶速度快，因此应力衰减的幅度越大。在7 0 0 稳态流变阶段，应力应变曲线上出现明显的锯齿，这种应力随应变的周期性波动，是加工硬化和再结晶软化过程交替进行不断重复的结果，而且变形温度越高越明显。根据上述试验结果认为，在7 0 0 变形时由于变形的不均匀性和局部的温度升高，导致局部区域的动态再结晶，此观点尚需进一步的研究证实。2 2 热处理对真应力一真应变曲线的影响魏氏组织和等轴组织试样6 0 0 0 C 压缩变形的真应力一真应变曲线如图2 所示。由图2(a)可知魏氏组织的试样以及经淬火、时效后的试样，其应力峰值a。和应力峰所对应的应变量e。依次增大，流变应力的衰减幅度依次减小(见表1)。此结果表明，魏氏组织经淬火或时效后热变形抗力提高。图2T C 4 合金6 0 0 热压缩变形后的真应力一真应变曲线(a)经热处理后的魏氏组织；(b)魏氏组织；(e)等轴组织F i g 2C o m p r e s s i o nt r u es t r e s s t r u es t r a i nc u r v e sa t6 0 0。Cf o rT i 一6 A 1 4 Va l l o y(a)w i d m a n s t a t t e ns t r u c t u r ea f t e rh e a tt r e a t m e n t；(b)w i d m a n s t a t t e ns t r u c t u r e；(e)e q u i a x e dg r a i ns t r u c t u r e表1T C A 合金真应力一真应变曲线上的应力峰值和应力衰减幅度T a b l e1T h ev a l u e so fp e a kf l o ws t r e s sa n dt h ea t t e n u a t i o nr a t i oo ff l o ws t r e s si nT C 4a l l o yE q u i a x e ds r a i s t r u c t u r e6 0 06 0 06 0 08 3 l O o8 3 1 0 28 3 1 0 3注：o p 为流变应力峰值；p 为流变应力峰对应的应变量；5 和8 分别为E=O 5 和O 8 时的流变应力值，峨5 和龇8 分别为=0 5 和O 8 时流变应力衰减的幅度，其计算公式为：知。=(o。一d)一l电u扛u；卜卜535笛巧卯7 卫乱n 珊化姗勉仞卯筋垮O0O踊螂仪 万方数据5 8材料热处理学报第2 6 卷2 3 应变速率对真应力一真应变曲线的影响图2(b)示出魏氏组织试样经不同的应变速率在6 0 0 0 C 压缩后的真应力一真应变曲线。随着应变速率的增加，流变应力峰升高，应力峰值对应的应变量亦增大，应力的衰减幅度先增大，当应变速率达到8 31 0 0s。1 后又减小(见表1 和图2(b)。应变速率的改变对6 0 0 压缩变形过程中的软化机制未产生重大影响。在6 0 0。C 压缩时应变的增大使位错密度迅速增加，使真应力一真应变曲线上移，流变应力峰升高；这一点在应变速率由8 3 1 0 s。1 增加至8 3 1 0 qS。1 时最为显著；而当应变速率由8 3 1 0 s。1 增加至8 3 1 0 0 s“时真应力一真应变曲线的变化规律不十分明显，表明具有魏氏组织的钛合金在6 0 0 变形时热变形抗力对较快的应变速率(8 3 1 0 s。1 至8 3 1 0 0s“范围内)不敏感。应变速率降至8 3 1 0。S。1 时，热变形抗力有较大幅度的降低。图2(c)为等轴组织试样经在6 0 0 不同的应变速率压缩后的真应力一真应变曲线。应变速率对等轴组织6 0 0 热压缩变形行为的影响规律与魏氏组织相似。将两种组织的真应力一真应变曲线对比，可知在相同的应变速率条件下，魏氏组织的流变应力高于等轴组织。2 4 热变形对显微组织的影响T C 4 合金锻棒的魏氏组织和等轴组织的典型形貌如图3 所示。在魏氏组织中原始B 晶粒十分粗大，C t 呈细针状(见图3(a)。在(a+1 3)等轴组织中a 的晶粒尺寸约为5”m(见图3(b)。魏氏组织试样热变形后的光学金相显微组织形貌如图4 所示。由图可见，6 0 0 0 C 热变形后，a 针扭曲变形，未发生动态再结晶；8 0 0。C 热变形后，仍可观察到扭曲变形的a 针，说明动态再结晶不完全；9 0 0。C 热变形后，观察到长大的等轴的再结晶晶粒，晶粒平均尺寸约为5 0,u m。图3T C 4 合金的(a)魏氏组织和(b)等轴组织形貌F i g 3(a)W i d m a n s t a t t e na n d(b)e q u i a x e d g r a i ns t r u c t u r e so fT C 4a l l o y图4 魏氏组织试样不同温度热变形后的光学金相组织照片(应变速率为8 3 1 0。，s)F i g 4O p t i c a lp h o t o g r a p h so b t a i n e do ns p e c i m e n sw i t hw i d m a n s t l i t t e ns t r u c t u r ea f t e rc o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o na t(a)6 0 0；(b)8 0 0 a n d(C)9 0 0 w i t hs t r a i nr a t e8 3 1 0。s 万方数据第4 期王清等：T C 4 钛合金的热变形行为及其影响因素5 9图5 魏氏组织试样(a)6 0 0。C；(b)7 0 0。C 和(c)9 0 0 0 C 变形后的透射电镜组织照片(应变速率为8 3 1 0 3 s)F i g 5T E Mi m a g e ss h o w i n gm i c r o s t r u e t u r eo fT C 4a U o yw i t hw i d m a n s t a t t e ns t r u c t u r ed e f o r m e da t(a)6 0 0。C；(b)7 0 0 a n d(C)9 0 0。Cw i t hs t r a i nr a t e8 3 1 0。s图5 为魏氏组织试样热变形后的透射电镜组织照片。变形前魏氏组织中的片状a 平行排列，且a 中位错较少4 I。在6 0 0。C 变形以后仍保持片状d 的形态，但a 片中因动态回复形成位错胞(见图5 a)。而9 0 0 变形后片状a 消失，形成等轴状和随机取向的短棒状a 相(见图5 c)，晶粒内部位错密度很低，可认为是动态再结晶的产物。7 0 0 0 C 变形后局部区域的a失去了片状形貌，形成再结晶晶核(见图5(b)，组织形貌界于图5(a)和图5(b)之间，这表明7 0 0 变形时动态回复和动态再结晶同时发生。3结论(1)在应变速率为8 3 1 0。3 s 条件下，合金在6 0 0 热变形时软化机制以动态回复为主，8 0 0 0 C 至9 0 0 0 C 热变形时软化机制以动态再结晶为主；7 0 0。C 热变形时动态回复和动态再结晶同时发生；淬火和时效可提高合金的热变形抗力；(2)合金在6 0 0 0 C 变形时，热变形抗力对在8 3 1 0 s 一8 3 1 0 0 s 范围变化的应变速率敏感性较差；当应变速率降至8 3 1 0。3S。1 时，热变形抗力有较大幅度的降低；这一规律不受显微组织的影响；(3)在热变形条件相同的情况下，魏氏组织的流变应力高于等轴组织。参考文献1P m 照dYVRK，S e s h e c h a r y u l uT，e ta 1 T i t a n i u ma l l o yp r o c e s s i n g J J A d v a n c e dM a t e r i a l s P l o c e s s e s，2 0 0 0，6：8 5 8 9 2S c m i a t i nSL，D e l oDP E q u a lc h a n n e l g I l l 8 re x t r u s i o no fd 瓶c u h t o-w o r ka l l o y s J j M a t e r i a l s D e s i g n，2 0 0 0，2 1(4)：3 1 1 3 2 2 3K a i b y s h e vOA G r a i nr e f i n e m e n ti nc o m m e r c i a la l l o y sd u et oh i g hp l a s t i cd e f o r m a t i o n sa n dp h a s et r a n s f o r m a t i o n s l JJ J o u m a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y，2 0 0 1，1 1 7(3)：3 0 0 3 0 6 4S e m i a t i nSL，B i e l e rTR n ee f f e c to fa l p h ap l a t e l e tt h i c k n e s so np l a s t i cf l o wd u r i n gh o tw o r k i n go fT i 一6 A 1 4 Vw i t hat r a n s f o r m e dm i c r o s t r u c t u r e J A e t aM a t e r，2 0 0 1，4 9(1 7)：3 5 6 5 3 5 7 3 5洪权，张振祺T i 6 A 1 2 Z r 1 M o 1 V 合金的热变形行为 J 航空材料学报，2 0 0 1，2 1(1)：1 0 1 2 6S u nDL，W a n gQ，H a nX，e ta 1 H y d r o g e n a t i o na n di t se f f e c to nb e h a v i o ro fh o td e f o m m t i o nf o rT i 一6 A 1 4 Va l l o y【AJ P r o c e e d i n g so f3 r dI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nA d v a n c e dM a t e r i a l sP r o c e s s i n g(I C A M P-3)【C A u s t r a l i a，2 0 0 4 儿7S e s h a c h a r y l l l uT，M e d e i r o sSC，F r a z i e rWG，c ta 1 M i e r e s t r u c t u r a lm e c h a n i s m sd u r i n gh o tw o r k i n go fc o m m e r c i a lg r a d eT i 一6 A 1-4 Vw i t hl a m e l l a rs t a r t i n gs t r u c t u r e【JJ M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA，2 0 0 2，3 2 5(1-2)：1 1 2 1 2 5 8P h i l i p p a r t I，R a c kHJ H i【g h t e m p e r a t u r e，h i g hs t r a i nd e f o r m a t i o n b e h a v i o ro f T i 一6 8 M“5 F e 一1 5 A I J M a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g，1 9 9 8，A 2 5 4(1-2)：2 5 3 2 6 7 9S e s h a c h a r y u l uT，M e d e i r e sS t e v eC，e ta 1 U n s t a b l ef l o wd u r i n gs u p r a t r a n s n sw o r k i n go fT i 一6 A l _ 4 V J M a t e r i a l sL e t t e r s，2 0 0 1，4 7(3)：1 3 3 1 3 9 1 0R o s e nRS，P a d d a nSP，K a s s n e MEr T h ev a r i a t i o no ft h ey i e l ds t r e s so fT ia l l o y sw i t ls t r a i nr a t ea th i g ht e m p e r a t u r e s J J o u r n a lo fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n ga n dP e r f o r m a n c e，1 9 9 9，8(3)：3 6 1 3 6 7 1 1S e s h a c h a r y u l uT，M e d e i r o sSC，M o r g a nJT H o td e f o r m a t i o na n dm i c r o s t r u c t u r a ld a m a g em e c h a n i s m si ne x t r a-l o wi n t e r s t i t i a l(E L I)T i 6 A 1 4 v J M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，2 0 0 0，A 2 7 9(1-2)：2 8 9 2 9 9 1 2H u a n gC，L 缸KL，L e eC S D e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fT i 一2 4 A 1 1 4 N b-3 V 一0 5 M oa l l o yd u r i n gh o tc o m p r e s s i o n J J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y，1 9 9 8，7 3(1-3)：1 1 9 1 2 4 1 3P r a s a dYVRK，s e s h e c h a r y u l uT，M d e d i r o sSC，e ta 1 E f f e c to fp r i o r8 g r a i ns i z eo nt I l eh o td e f o r m a t i o nb e h a v i o ro f T i 一6 A l-4 V：c o a r s ev sc o a r J J o u r n a lo fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n ga n dP e r f o r m a n c e，1 9 9 9，9(2)：1 5 3 1 6 0 1 4W a n gQ，S u nDL，L iZH C o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt e n s i l ep r o p e r t yi n 蚰(a+口)t y p et i t a n i u ma l l o ya th i g ht e m p e r a t u r e A J P r o c e e d i n g so f A s i a nP a c i f i cC o n f e r e n c ef o rF r a c t u r ea n dS t r e n g t h 0 4 C K o r e a，2 0 0 4：1 2 7 万方数据TC4钛合金的热变形行为及其影响因素TC4钛合金的热变形行为及其影响因素作者：王清，李中华，孙东立，武高辉，WANG Qing，LI Zhong-hua，SUN Dong-li，WUGao-hui作者单位：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨,150001刊名：材料热处理学报英文刊名：TRANSACTIONS OF MATERIAIS AND HEAT TREATMENT年，卷(期)：2005，26(4)引用次数：7次 参考文献(14条)参考文献(14条)1.Prasad Y V R K.Seshacharyulu T Titanium alloy processing 20002.Semiatin S L.Delo D P Equal channel angular extrusion of difficult-to-work alloys 20003.Kaibyshev O A Grain refinement in commercial alloys due to high plastic deformations and phasetransformations 2001(3)4.Semiatin S L.Bieler T R The effect of alpha platelet thickness on plastic flow 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钛合金板超塑性成形/扩散连接成形因素影响的数值模拟期刊论文-航空精密制造技术 2007(01)7.孟庆武.耿林.王春华.刘树林.韩文静 两种热处理钛合金的摩擦磨损性能期刊论文-大庆石油学院学报2006(04)本文链接：http:/