朱晓亮;欧梅桂;张松;王亚娟;袁国建;潘春华;贺孝文
【摘 要】为了研究TC4钛合金丝材的拔制过程,对TC4合金进行了高温拉伸变形实验.研究了应变速率0.1 s-1时,不同温度(800℃、840℃、880℃、920℃和960℃),以及温度为920℃时,不同应变速率(0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1和10 s-1)对TC4钛合金真应力-应变曲线及显微组织的影响.结果表明:当应变速率为0.1s-1时,随着实验温度的升高,动态回复和动态再结晶出现,材料的流变应力逐渐降低.其显微组织表明,随着温度升高,α相变得粗大,并由原先的长棒状变为短棒状,β相的含量逐渐增多.当实验温度为920℃时,随着应变速率的增加,加工硬化速率变快,位错增殖,晶粒运动受阻,硬化不能及时消除,畸变能增大,导致峰值应力增大,流变应力峰值升高.其显微组织表明,随着应变速率增加,α相沿拉伸方向变细变长,逐渐趋于同向排列. 【期刊名称】《现代机械》
【年(卷),期】2019(000)002
【总页数】5页(P88-92)
【关键词】TC4钛合金;高温拉伸变形;流变应力;显微组织;位错
【作 者】朱晓亮;欧梅桂;张松;王亚娟;袁国建;潘春华;贺孝文
【作者单位】贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550025;高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室,贵州贵阳550025;贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550025;高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室,贵州贵阳550025;贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550025;高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室,贵州贵阳550025;贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550025;高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室,贵州贵阳550025;贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550025;高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室,贵州贵阳550025;贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550025;高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室,贵州贵阳550025;贵州大学材料与冶金学院,贵州贵阳550025;高性能金属结构材料与制造技术国家地方联合工程实验室,贵州贵阳550025
【正文语种】中 文
【中图分类】TG146.2+3
TC4由于具有良好的的耐热性、强度、成形性、可焊性和生物相容性，在航空航天、车辆及医疗等领域得到了广泛的应用，TC4钛合金占钛合金总产量的50%[1]，是目前应用最广的一种α+β型两相钛合金[2-3]。为了达到一些特殊工艺钻井的性能需求，随着近些年的不断发展创新，国内外研发了各种各样的钻井工具及其设备，钛合金钻杆就是其中一种。与传统的钢钻杆相比，钛合金钻杆具有很多的优点：比如柔性好、结构应力小、抗疲劳摩擦性能优异、耐腐蚀、质量轻等。而且在高曲率的井眼钻井的应用中有很好的适应性[4-7]，因为TC4钛合金具有非常优异的综合力学性能。钛合金的性能与其微观组织有密不可分的联系，其常见的显微组织主要有4种：等轴组织、网篮组织、双态组织和魏氏组织[8-9]。在一定条件下，材料的性能特点由组织决定[10]。然而，钛合金的组织和性能对变形参数敏感，因此钛合金的加工工艺容易受到限制，加工参数的范围相对较小。因此，研究钛合金的拉伸行为具有重要的意义。钛合金丝材在实际生产中多采用热拉拔工艺，为优化工艺设计，需要通过拉伸实验来了解不同变形条件下材料的变形行为[11]。
本文采用热拉伸模拟方法，研究了温度、应变速率对TC4钛合金显微组织和力学性能的影响，分析了不同工艺下拉伸过程中的变形机制，进而确定出最佳工艺参数，对优化钛合金加工工艺具有重要意义。索尼s7000
1 实验材料与方法
实验材料选用圆柱形TC4钛合金棒材料，拉伸样尺寸及形状如图1所示。
图1 TC4钛合金拉伸试样尺寸图投影寻踪
TC4钛合金材料成分如表1所示。
大明混一图表1 TC4钛合金的化学成分元素TiAlVFeCSiMoNiCvB含量/%89.985.424.290.080.060.070.0150.010.0040.002
海云坦克试样在Gleeble-1500D试验机上进行热模拟处理：1)当应变速率为0.1 s-1，温度为800 ℃、840 ℃、880 ℃、920 ℃和960 ℃时，对TC4进行拉伸试验。2)当温度为920 ℃时，应变速率分别为0.01 s-1，0.1 s-1，1 s-1，10 s-1时做TC4钛合金的拉伸实验。所得的实验数据利用Origin软件分别在计算机上绘制出两组实验对应的真应力-真应变曲线，分析在应变速率为0.1 s-1，温度分别为800 ℃、840 ℃、880 ℃、920 ℃和960 ℃时，以及在温度为920 ℃，应变速率分别为0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1和10 s-1时拉伸对TC4钛合金性能的影响。热模拟后将试样在断口处沿中心轴向切割成小块、镶样、经400#-7000#砂纸研磨并抛
光制成金相样品，然后用金相腐蚀液(HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7)腐蚀已制好的样品，腐蚀时间为1～2 s，腐蚀后经清洗后吹干，然后在金相显微镜上(OM)观察并拍照。
2 结果与分析江苏文惠网
2.1 不同温度对TC4真实应力-应变曲线及组织的影响
图2为TC4钛合金在应变速率为0.1 s-1下，温度为800 ℃、840 ℃、880 ℃、920 ℃和960 ℃时拉伸试验的真应力-真应变曲线。
2.1.1 不同温度对应力-应变曲线的影响
图2 TC4钛合金在不同温度下的 应力-应变曲线
由图2可知，加工参数对温度拉伸变形有着显著影响，流动应力随温度升高而显著下降。热拉伸变形是加工硬化，动态软化(动态恢复和动态再结晶)，空隙形成或裂纹形成的交互过程。 当应变速率为0.1 s-1～1 s-1时，不同温度下的应力-应变曲线没有出现明显的屈服平台。温度为800 ℃。在应力达到320 MPa的峰值之前，应变不断增加的同时应力也在急剧
上升。在临近峰值应力前增加速度逐渐变缓，最终在应变量为21.7%时达到峰值(320 MPa)。随着应变的持续增加，应力开始由缓慢到急剧下降直到拉断。当温度840 ℃、880 ℃、920 ℃和960 ℃时，应力随应变的变化趋势与800℃时相同，应变量在16.4%、10.7%、9.43%和5.5%时对应的应力达到峰值，峰值应力分别为251 MPa、166 MPa、157 MPa和78 MPa。材料热变形过程伴随着两个过程，一个是位错密度增加引起的加工硬化，另一个是回复和动态再结晶过程引起的软化过程。在变形初期，由于位错密度显著增加，加工硬化增加的应力远大于软化作用(回复)降低的应力，总的应力呈现急剧上升的趋势。当应力逐渐接近流变应力峰值时，加工硬化增加的应力与软化作用降低的应力趋于相等，因此流变应力曲线呈现缓慢增加或趋于不变。在变形后期时，由于应变增加，动态再结晶程度增加，软化作用导致应力逐渐下降直至试样断裂。由图2可知随着温度的增加应力的峰值逐渐减小，峰值由320 MPa降低到78 MPa，应力达到峰值时对应的应变量也相继变小，这是因为TC4钛合金高温条件下受位错运动的影响。随着温度的升高软化作用逐渐大于硬化机制，使应力逐渐下降。
2.1.2 不同温度对TC4显微组织的影响
图3(a)为魏氏组织有晶界显微组织图，其晶粒呈长条状分布且具有明显的晶界。从图3(b)～(f)可看出，在较低变形温度 (800～880 ℃)拉伸变形，此时试样的微观组织主要由长条状初生α相，以及少量β相组成。与原样的微观组织相比，发生了典型的动态回复过程其组织由长条状初生α相沿拉伸方向被拉伸得更长或者弯曲。随着温度的升高，α片的领域变小，晶界α变薄，综合性能得到提高。当变形温度升至920 ℃时，应变量随温度升高而增加，并且显微组织中的初生α相沿拉伸方向弯曲或伸长。同时由于温度接近相变点，开始逐渐出现少量β相。在920 ℃时，TC4钛合金组织受变形温度的影响，条状初生α相发生球化或动态再结晶[10]，使得试样组织出现少量的等轴状初生α相。从图 3(e)可以看出初生α相含量在不断减少。由于受变形温度的影响，随着变形温度的升高TC4 合金发生了α→β 相的转变，使得初生α相含量减少。当变形温度上升到960 ℃时，初生α相形貌基本一致，但初生α相含量急剧减少，并且出现大量等轴状α相。由以上分析可见，变形温度直接影响TC4合金高温拉伸变形后初生α相的形貌和含量，而初生α相的形貌和含量将最终影响合金的室温和高温性能，因而严格的控制变形温度可以使得TC4合金具有更好的室温和高温性能[9]。
图3 不同应变温度拉伸后的组织图
2.2 不同应变速率对TC4真实应力-应变曲线及组织的影响
2.2.1 不同应变速率对TC4真实应力-应变曲线的影响
图4为温度为920℃，应变速率为0.01 s-1，0.1 s-1，1 s-1和10 s-1时TC4钛合金的拉伸应力-应变曲线。
图4 TC4在920℃不同应变速率下的 应力-应变图
当实验温度为920 ℃时，随着应变速率的增加，加工硬化速率变快，位错增殖，晶粒运动受阻，硬化不能及时消除，畸变能增大，导致流变应力峰值升高。整个形变过程没有出现屈服平台或锯齿，由图4可知，在温度为920 ℃，应变速率为0.01 s-1，0.1 s-1，1 s-1和10 s-1的真实应力-应变曲线中也出现相似情况。速率为0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1和10 s-1时的峰值分别对应为62 MPa、78 MPa、112 MPa和157 MPa。开始阶段随着应变增加，真实应力急速上升，变形较稳定。当应力达到峰值后开始下降。形变温度保持不变，变形速率越大，形变时间越短，来不及发生动态再结晶，再加之位错来不及相互抵消，并且还在不断的产生，因此位错越来越多，使得流动应力峰值随着应变速率的增加而升高[8]。在此温度下，随着应变速率的不断加快，试样的塑性流动趋势显著增强，其真实应力—应变曲线的塑性阶段明显增长，表现出应变率增速效应。同时随着应变速率的不断加快，曲线的峰
值也逐步升高，即真实应力逐渐增大。这是因为随着应变速率的增加，试样的变形加快，加工硬化速度加快，位错增殖速度加快，当晶粒运动受阻时，硬化不能及时消除，畸变能增加，从而导致应力增大。
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