您好,欢迎来到微智科技网。
搜索
您的当前位置:首页粉末冶金TiAl基合金高温变形行为及其本构模型

粉末冶金TiAl基合金高温变形行为及其本构模型

来源:微智科技网
第20卷号辑1 Vol 20 Special 1 中国有色金属学报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals 2010年lO月 OCt 2010 文章编号:1004.0609(2010)S1.s0269.05 粉末冶金TiAl基合金 同皿-高温变形行 艾7I 1 J 为及其本构模型 ,徐磊,崔玉友,杨锐 (中国科学院金属研究所,沈阳1 10016) 摘要:采用Gleeble 3800热模拟机研究粉末冶金Ti-47A1—2Cr一2Nb.0.2W-0.15B(摩尔分数,%1合金在变形温度 为l 100~1 250℃、应变速率为lO~10。S1和变形率为50%条件下的高温变形行为。结果表明:Ti一47A1—2Cr一2Nb一 0.2W-0.15B合金在高温变形初始阶段,流动应力随应变的增加迅速增加;当应变超过一定值后,流变应力开始下 降并逐渐趋于稳定,出现稳态流动特征;随着形变温度的升高和应变速率的增加,合金高温变形时的峰值应力和 稳态应力显著降低。利用热模拟压缩实验数据,基于Arrhenius方程和Zener-Hollomon参数,运用多元回归分析 方法建立Ti。47A1.2Cr-2Nb一0.2W-0.15B合金在高温变形过程中的流变应力本构模型。应用DEFORMTM 3D软件验 证该流变应力本构模型的有效性,结果表明所得高温流变应力本构模型能够较好地预测Ti.47A1.2Cr-2Nb一0.2W. 0.15B合金的高温变形行为。 关键词:TiA1合金:高温变形行为;本构模型 中图分类号:TF 804.3 文献标志码:A High temperature deformation behavior of powder metallurgy TiAI alloy and its constitutive model WANGGang,XULei,CUIYu—you,YANGRui (Institute ofMetal Research,ChineseAcademy ofSciences,Shenyang 110016,China) Abstract:The high temperature deformation behavior ofPM TiA1 alloy Ti一47A1—2Cr-2Nb一0.2W一0.1 5B(mole fraction,%1 was investigated by hot compression tests on Gleeble 3800 machine at the temperature range of 1 1 00—1 250℃.strain rates between 1 0一 S一 and 1 S~and deformation rate of 50%of the samples.The results show that the flow stress of the TiA1 alloy increases quickly with increasing strain and then reaches a peak.then decreases to a steady value.The steady and peak stress signiifcantly decreases with the increase of the deformation temperature and the decrease of the strain rate. The flow stress model of the TiA1 alloy during high temperature deformation was established based on the Arrhenius equations and Zener.Hollomon parameter,the model was validated using the DEFORMTMTM 3D softwareAnd the .simulation results indicate that the flow stress constiutitve model can eficifently predict the deformation behavior of the TiA1 alloy during high temperature deformation. Key words:TiA1 alloy;high temperature deformation behavior;constitutive model y-TiM基合金作为一种轻质高温结构材料,因其 密度低、比强度和比弹性模量高以及较好的抗氧化性 和持久性能,在航空、航天和汽车等领域具有广阔的 应用前景 。由于y—TliAl基合金结构特点,以及常 规的铸造冶金方法所带来的组织粗大、宏观偏析等缺 通信作者:崔玉友;电话:024.23971961;E-mail:yycui@imr.ac.cn 陷,导致其室温塑性和热加工性差。预合金粉末冶金 法可以消除铸造冶金方法所带来的缺陷,提高?-TIM 基合金的热加工性能,简化工艺步骤而直接获得满足 尺寸要求的轧制坯料。但是出于成本的考虑,以往多 采用铸造冶金方法。近些年来,随着粉末冶金技术的 s270 中国有色金属学报 提高和制粉成本的降低,通过预合金粉末冶金的方法 制备7-TiA1基合金受到越来越多的关注。 7-TiA1基合金的高温变形行为的主要影响参数有 变形温度、应变速率和变形程度。材料的流变应力本 构模型是联系材料的高温变形行为与热加工工艺参数 之间的基本函数关系。通过了解高温塑性加工变形流 变应力行为及其与各加工工艺条件的相互影响关系, 同时建立材料流变应力本构模型,进而优化金属塑性 变形工艺。对于7-TiA1基合金的高温变形行为,以往 由于成本的原因,研究多集中于常规铸造冶金7-TiA1 基合金,对于粉末冶金?-TiA1基合金研究很少。因此, 对于粉末冶金7-TiA1基合金高温变形行为的研究有着 重要的工程应用价值。本文作者采用Gleeble 3800热 模拟机进行高温压缩试验,对粉末冶金 一1IiAl基合金 的变形行为进行研究。分析其高温变形时流变应力的 变化规律,求解变形激活能等材料常数,建立粉末冶 金y.nAl基合金流变应力本构模型,为制定合理的热 加工工艺提供理论依据。 1 实验 压缩实验所用材料名义成分为Ti.47Al一2Cr-2Nb. 0.2W-0.15B(摩尔分数,% 。冶金过程如下:采用无坩 埚感应熔炼气体雾化法制备TiA1基合金预合金粉末; 将预合金粉末装入长方形钛合金包套内,于450℃ 真空除气12 h,随后进行封焊处理;套坯在170 MPa 经1 260℃,4 h热等静压处理。从热等静压样品上机 加工得到d6 mmx9 rnlTl的圆柱体压缩试样。热模拟压 缩实验在Gleeble-3800型热模拟实验机上进行。实验 条件如下:温度分别为1 100、1 150、1 200和1 250℃, 压缩速率分别为1、10~、10 和10 s~。升温速率 为5℃/s,到达指定温度后保温5 min,使试样的温度 场分布均匀。压缩在真空状态下进行,试样两端涂抹 润滑剂和放置厚度为0.05 arin的钽片,以减小摩擦对 应力状态的影响。所有试样均被压缩到50%变形量, 然后空冷。 2 TiAl合金的高温变形行为 11认1合金在不同变形条件下的应力一应变曲线如 图l所示。由图1可见,在相同变形温度下,流变应 力随着应变速率的减小而减小;在相同应变速率下, 流变应力随着变形温度的升高而降低。在不同应变速 率和变形温度条件下,TiAI合金的流动应力曲线表现 为相似的流变特征。除应变速率为10 S~,所有的曲 线都出现了一个应力极值点%,其对应的应变称为应 变 。在变形初始阶段,流动应力随应变量的增加而 迅速增加,呈加工硬化趋势。当应变量超过应变£n后, 流变应力开始下降,并逐渐趋于稳定,出现稳态流动 特征。当应变速率为10 S 时,TiA1合金的流动应 力曲线表现出震荡的特征。在变形的初始阶段,位错 不断增殖,位错间的交互作用增大位错运动的阻力。 在这一阶段,动态软化机制主要是位错的交滑移,但 是交滑移引起的软化作用不足以克服位错密度增加带 来的硬化,在峰值应力之前,加工硬化占主导,因此 应力一应变曲线上变现为流变应力随着形变量的增加 迅速增大。在流变应力达到峰值应力之前,当应变量 超过某一临界值£c时,动态回复和动态再结晶开始发 生 。此阶段加工硬化占主导,所以,应力一应变曲 线仍然呈上升趋势,但加工硬化速率逐渐降低。当流 变应力达到极值后,动态回复和动态再结开始占据主 导,流变应力开始降低。当动态回复和动态再结晶造 成的软化与加工硬化达到动态平衡时,应力一应变曲 器 ∽ 图1 TiA]合金高温变形应力一应变曲线 Fig.1 True stress--strain Curves of TiAI alloy at different temperatures:(a)1 100℃:(b)1 200℃ 兰 堂主塑 三 :篁: 查塑全 垒!苎鱼全 奎 堑 墨墨奎塑竖型 一———————!兰 线进入稳态流变阶段 s 。 为应力指数; 为应力水平参数。A、 和"均为常数, 且常数。[、 和 之间满足关系 ̄=p/n。对式(1)和(2) 3 T l合金本构模型的建立 : T应iA的1 ̄应力 值,绘制In --lna和In 一 关系瞌线,结果如图2(a) 材料在热变形过程中,通常用Arrhenius热变形方 和(b)所示,然后对图中曲线进行一元线性回归处 程【 来表示热变形过程中流变应力的本构模型: 理。 在低应力时, 图2(a)和(b)中的直线斜率分别为 和”,通过计算 得到a=0.01 1 MPa_ 。对式(3)两边取自然对数可得 =Act exp[一O/ )] (1) 在高应力时, p=尺』~—— h(ac一l0]J  jr _0ln[sinh(aa)]J}  (4) : ( )[_Q/ (2)[8ln[sin在所有应力状态下, 式(4)中等式右边第1项ln[sinh(aa)]-ln 代表曲 线的斜率,第2项代表ln[sinh(aa)]-T 的斜率。将0【 = [sinh(acr)] eXp[.Q/(尺 )] (3) 值代入,做出ln『sinh(取a)]-In 和ln[sinh( ]一 一l 式中叠是应变速率; 流变应力;O是形变激活能; 关曲线,结果如图3(a)和(b)所示。 R是摩尔气体常数;T是绝对温度:A为结构因子;,z 通过回归求得表征激活能O 40.3 kJ/mol。将 图2应变速率与流变应力的关系 Fig.2 Relationships between strain rate and lfow stress:(a)In k--lna;(b)In g"-0" ln[sinh(aw')]T-1/10一 K一 图3应变速率与流变应力以及流变应力与变形温度的关系 Fig.3 Re1ationsbjps between strain rate,flow stress and deformation temperature:(a)ln[sinh(o【 卜—ln ;(b)ln[sinh(o【 卜一r一 s272 中国有色金属学报 2010年lO月 Zener-Hollomon参数 】Z引入式(3)可得 Z= exp[Q/(R )]=Asinh(ao-) 对式(5)两边取对数得 模型的计算结果与实验数据的对比情况。由图4可以 看出,所建立流变应力本构模型能够较好描述实验所 用nA1合金在高温变形过程中的流变行为。 lnZ=In A+nIn[sinh(atr)] 将Q值和变形条件代入式(5),求出Z值,然后以 n[Isinh(aa)]-inZ为坐标作图,进行线性回归处理得 到:n=l1.95,A=I.08x10凹。TiAI合金流变应力本构模 5结论 l1通过热压缩模拟实验,研究了热变形工艺参数 (形变温度、应变速率、应变量)对Ti.47A1-2Cr-2Nb一 型为 =1.08 x 10 [sinh(O.O1 lo-)] ・ . exp[-430 O00/(RT)] (7) 4 TiAI合金本构模型的验证 为了验证本构模型的有效性,采用式(7)应用 DEFORMTM3D软件建立nAl基合金模型,对压缩过 程进行数值模拟。图4所示为所建立的流变应力本构 图4 TiAl基合金流变应力模型计算结果与试验值的比较 Fig.4 Comparison of calculated results and experimental resuhs offlow stress for TiA1.based alloy at 1 S一 (a)and 10一 S一 (b)anddifferenttemperatures 0.2W-0.1 5B合金流变行为的影响规律。在初始变形阶 段,流动应力随应变的增加迅速增加,当应变超过一 定值后,流变应力开始下降并逐渐趋于稳定,出现稳 态流动特征;随着形变温度的升高和应变速率的增加, 合金高温变形时的峰值应力和稳态应力显著降低。 2)利用热模拟压缩实验数据,基于Arrhenius方 程和Zener-Hollomon参数,运用多元回归分析方法建 立了Ti.47A1—2Cr-2Nb.0.2W-0.15B合金在高温变形过 程中的流变应力本构模型。应用DEFORMa ̄3D软件 验证该流变应力本构模型的有效性,所得结果与实验 数据吻合较好。 REFERENCES [1] KIM Y w DIMIDUK D M.Designing Gamma TiAl alloy: Fundamentals,strategy and production[c]//NATHAL M DAROLIA R,LIU C L MARTIN P L,MIRACLE D B, WAGNER&YAMAGUCHI M.Structural Intermetallics. Watrendale,PA:TMS,1997:53 1—543. 【2]THOMAS M,BERTEAUX O,POPOFF E BACOS M P, MORELA,PASSILLYB,JI V Effects of exposure at 700℃ OI1 RT tensile properties in a PM y-TiAl alloy[J】.Intermetallics, 2006,14(10/11):l130_-1135 【3] ZHANG W,LIU Y,LI H Z,LI Z,wANG H,LIU B. Constitutive modelnig and processing map for elevated temperature flow behaviors of a powder metallrugy titanium a1.minide alloy【J】.Journal of Materials Processing Technology 2009,209:5363—5370. [4】POLIAK E I,JONAS J J.A one・parmenter approach to determining the critical conditions for hte initiation of dynamic recrystallization[J】.Acta Materialia,1996,44(1):127—136. [5】 毛卫民,赵新兵.金属的再结晶与晶粒长大【M].北京:冶金 工业出版社,1994. MAO Wei—min,ZHAO Xin-bing.Metal recrystallization and grain growth[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,1994. 【6】 刘楚明,刘子娟,朱秀荣,周海涛.镁及镁合金动态再结晶研 究进展[J】.中国有色金属学报,2006,16(1):1-12. 第20卷专辑1 ,等:粉末冶金TiAI基合金高温变形行为及其本构模型 s273 L1U Chu—ming,LIU Zi-juan,ZHU Xiu—rong,ZHOU Hai—tao. Research and development progress of dynamic recrystallization equations for high temperature flow stress of aluminum alloys .Materials Science andEngineeringA,1997,13(3):210-216. in pure magnesium and its alloys【J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2006,16(1):卜l2. [9】 WANG Y,L1U D L,LAY C C.A correlation between tensile lfow stress and Zenner,Hollomon factor in TiA1 alloys at hi曲 temperatures .Journal of Materials Science Letters,2000, [7J RAO K P,PRESSAD YVRK.High temperature deformation kinetics of A1・4Mg alloy[J】.Journal of Mechanical Working Technology,1 986,I3(1):83—95.  H,MCLAREN,A J,SWLLARS C M.Constitutive 【8】 SHI19(13):1185—1188. (编辑李艳红) 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- 7swz.com 版权所有 赣ICP备2024042798号-8

违法及侵权请联系:TEL:199 18 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务