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Ti3Al基合金高温变形行为及其流动应力模型

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第4卷第6期 精密成形工程 2012年11月 joURNAL 0F NETSHAPE F0RMING ENGINEERING Ti3Al基合金高温变形行为及其流动应力模型 上官姝哲,李鑫,鲁世强,王克鲁 (南昌航空大学,南昌330063) 摘要:在Thermecmastor—Z型热模拟试验机上对Ti。Al基合金进行等温恒应变速率压缩实验,实验选 取的变形温度范围为950~1350℃,应变速率范围为0.001~10 S~,高度压下量为70 。利用实验数据绘 制出流动应力一应变曲线,研究了Ti。A1基合金的高温变形行为,并运用逐步回归方法构建出该合金的流动 应力模型。结果表明,Ti。Al基合金的流动应力随着应变速率的增加而升高,随温度的升高而降低。误差分 析表明,该流动应力模型具有较高的精度,可用于指导Ti。Al基合金热加工工艺的制定。 关键词:Ti。Al基合金;流动应力一应变曲线;逐步回归;流动应力模型 中图分类号:TG146.2 文献标识码:A 文章编号:1674—6457(2012)06—0041—04 High Temperature Deformation Behavior and Flow Stress Model of Ti3 Al Based Alloy SHANG GL N Shu—zhe,L Xin,LU Shi—qiang,W.ANG KP—Z“ (Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China) Abstract:The hot compression tests of Ti3 A1 based alloy were carried out in the temperature range of 950~1350℃and strain rate range of 0.001~10.0 S up tO a height reduction of 70 using a Thermermastor—Z simulator.The flow stress— strain curves were plotted using hot compression experimental data,and the high temperature deformation behavior of Ti3 A1 based alloy was investigated,and the flow stress model of Ti3 Al based alloy was constructed by adopting stepwise regression method.The results show that flow stresses of Ti3 Al based alloy increase with increasing strain rates and decreasing tempera— tures.Error analysis shows that flow stress model can exactly predict flow stresses of Ti3 A1 based alloy in different deforma— tion conditions and can be applied in the design of the hot working process. Key words:Ti3 A1 based alloy;flow stress—strain curve;stepwise regression;flow stress model Ti。Al基合金是一种金属问化合物,具有较高 工艺方案的制定和设备的选择提供参考依据 ]。 一的弹性模量、较低的密度、良好的体积稳定性及高温 力学性能和抗氧化性,并且在高温下具有较好的热 般在利用多元线性回归分析法获得材料的流 动应力模型时,经常将许多与因变量有关或可能有 关的因素作为自变量。由于某些对因变量影响不显 著的自变量也引入到回归方程中,既增加了计算量, 又导致流动应力模型的预测精度下降,所以用全部 可能的自变量建立的流动应力模型并不是最好的。 在实际应用中,须从与因变量有线性相关的自变量 传导性,是一种理想的高温结构材料n ]。由于 Ti。Al基合金的高温变形行为比较复杂,受变形温度、 应变速率、变形量等因素的影响较大,因此有必要对 Ti。Al基合金的高温变形行为和流动应力模型进行研 究,以提高工艺设计计算和仿真的精度,为塑性成形 收稿日期:2012一o9—10 基金项目:江西省教育厅科技项目(GJJ11156);轻合金加X-科学和技术国防重点学科实验室开放基金(GF2。O9O1OO8) 作者简介:上官姝哲(1987一),女,江西抚州人,硕士研究生,主要研究方向为先进材料及其加工技术。 精密成形工程 2O12年11月 集合中,选择一个“最优”白变量子集,以建立一个既 合理又简单的流动应力模型,逐步回归法是其中比 较常用的方法。由此,文中通过Ti。Al基合金等温 恒应变速率压缩实验,获得在不同变形温度和应变 速率下的流动应力数据,分析该合金应力一应变曲线 特征,并利用逐步回归分析法选择影响Ti。A1基合 金流动应力“最优”的白变量子集,建立精度较高的 流动应力模型。 1 实验 实验材料为Ti 24A|一15Nb合金,其原始组织为 a +, ̄/B2+O的混合组织,该合金0【。+13/B2-,-31/B2 相的转变温度为1100℃。在Thermecmastor—Z型 热模拟试验机上进行等温恒应变速率压缩实验。 将实验材料加工成(b8 mm×12 mm的圆柱试 样,两端面加工有0.2 mm深的凹槽,实验时填充玻 璃润滑剂以减少端面摩擦。实验采用的变形温度为 950,1000,105O,1100,1150,1200,1250,13O0,1350 ℃;应变速率分别为0.O01,0.01,0.1,1.0,10.0 S ;高度压下量为70 9/6(真应变为1.2)。实验采用 真空感应加热,升温速率为10℃/s,升温至变形温 度后保温180 S以使试样的温度均匀化,压缩完成 后立即喷氦气冷却。 2结果和讨论 2.1 流动应力.应变曲线分析 流动应力是影响材料成形过程的一个很重要的 因素,在变形过程中流动应力会受到变形温度、应变 速率和变形量的影响。流动应力一应变曲线反映了 流动应力与变形参数之间的内在联系,同时也是材 料内部组织变化的宏观表现。 Ti。Al基合金在变形温度为1150℃和1250℃ 时不同应变速率下的流动应力一应变曲线如图1所 示。由图t可以看出,在给定温度下,流动应力随流 变速率的增加明显增加,表明该合金为正应变速率 敏感材料;在给定应变速率下,流动应力随温度的升 高而减小。由图1还可以看出,变形初期,流动应力 增加很快,在较小的应变下达到应力峰值。这是由 于位错增值,相互交割,使材料产生加工硬化造成 的。随着应变的继续增加,部分异号位错会相互抵 消或位错重新排列,或者因为绝热效应,使材料出现 软化效应。如果软化效应和加工硬化大致平衡,流 动应力一应变曲线则比较平稳。如对于1150 oC和 1250℃,流动应力一应变曲线分别在0.001~0.01 S 和0.001~O.1 S 呈稳态流动,这也说明随变形 温度的升高,出现稳态流动的应变速率范围向高应 变速率方向扩展。如果软化效应占主导地位,流动 应力一应变曲线则持续下降(如1150℃,10 S )。有 些变形条件下(如1150℃,0.1 S ),在变形的最后 阶段出现了应力回升现象,这可能是由于试样与压 头接触面存在摩擦,随变形的进行,接触面积增大, 摩擦作用增大而引起的。 l s一 10 s 山 \ 应 变 a l150℃ \ r 箐 应变 }1 1250℃ 图1 Ti。Al基合金在不同变形参数下的流动应力应变曲线 Fig.1 Flow stress—strain curves of Ti3 AI based alloy at different strain rates 在锻造时,如果在较低的应变速率采用等温锻, 则变形过程中流动应力较小且变化不大,能够较好 地发挥Ti。A1基合金的成形性能,因此Ti。A1基合 金比较适合在较低的应变速率进行等温锻造。 在实验采用的变形温度和应变速率范围内, Ti。A1基合金有峰值应力出现。峰值应力的大小对 估算最大变形载荷具有重要作用。Ti。A1基合金高 温变形过程中峰值应力与变形参数之间的关系如图 2所示。从图2可以看出,Ti。Al基合金的峰值应力 对应变速率较敏感。当应变速率较小时,变形温度 变量的集合为A,当不在A中的一个自变量z 加 入到这个模型中时,偏F统计量的一般形式为: F== SSE(A)一SSE(A,z 对峰值应力的影响较小;当应变速率较大时,变形温 度对峰值应力的影响较大。 SSR(x^lA) 墨 ! MSE(A, ) Z一1 I 冀 \ . 一一 ,s。 一10s√ 2.2.2 Ti A1基合金流动应力模型的建立 在Arrheniusl5。 方程的基础上,综合考虑变形 温度、应变速率、应变各自以及它们之间的交互作用 对流动应力的影响,提出了Ti。A1基合金的流动应 力模型: R 彗 9o0 1000 l100 l200 130() 1400 温度/ 图2 Ti。Al不同变形参数下的峰值应力变化 Fig.2 Change of peak stress of Ti3 A1 based alloy with temperature and strain rate (÷) ( ) ctin 64(山 +6s ㈠+6 ( ) + ( ]。 (tl e 。2.2 基于逐步回归法的Ti Al基合金流动 应力模型 2.2.1逐步回归法的基本思路 根据流动应力一应变曲线的分析结果,为了提高 拟合精度,将变形温度(t)分为4个区域t (950~ 1100℃),t2(1100~1150℃),t3(1150~1250℃)和 t (1250 ̄1350℃)。利用逐步回归法剔除本构方 为了提高模型的精度和预测能力,利用逐步回 归法对所选取的自变量进行筛选,将通过偏F统计 量检验的变量逐个引入。每引入一个新变量后,同 时对已人选方程的旧变量进行检验,将经检验认为 程中无显著影响的自变量,选取对流动应力有显著 影响的“最优”自变量子集。选取偏F统计量的两个 临界值F 和Fn。设自变量对因变量的影响显著水 平小于等于0.05时,将自变量引入模型中,即F 一 3.84;自变量对因变量的影响显著水平大于等于0.1 时,将自变量剔除模型,即F。一2.71。采用逐步回 归方法对4个温度区域内的实验数据分别进行线性 回归,得到回归模型各区域的系数见表1。 对流变应力影响不显著的变量剔除,此过程经过若 干步后,直到既不能引入新变量,又不能剔除老变量 为止,从而选择出“最优”的自变量子集。 设模型已有z一1个自变量,记这个z一1个自 厂 £一 卜  一表1 回归系数 Table 1 Regression cofficient 精密成形工程 2O12年11月 2.3回归模型的检验与评估 对所建立的流动应力模型进行评估,由文献Es; 取显著性水平为:a一0.Ol,F _。.。 (8,351)一2.57, F1一o (15,224)一2.17,F1一 1(13,226)一2.27,享 磊 合金的本构关系模型高度显著。 : 一般来说复相关系数越接近1,说明流动应力模型 显著性越高。该流动应力模型复相关系数R ,一 0.995,R 一0.998,R ===0.997,R 一0.997,表明{亥 F 。 (10,229)一2.41。Ti。Al基合金回归模型的 表2 Ti A1基合金流动应力模型方差分析 Table 2 ̄/'ariance analysis of lfow stress model of Ti3 Al based alloy O9 " 1。{ l  .2 L 6 ∞ 2 9 文 7 n SSR SSE SST SSR SSE SST SSR SSE 15 224 239 13 226 239 1O 229 11.896 0.O03 3 905.307 374 0 13.970 0.O05 2 963.13O 056 0 14.179 0.006 O SST 239 不同变形参数下的流动应力实验值与利用流动 应力模型获得计算值的比较如图3所示。从图3可 以看出计算值与实验值吻合较好。对于所构建的流 动应力模型,通过计算,在所有数据点中,误差小于 120 1()0 15 的数据点占总数据点的96.4 ,误差小于10 的数据点占总数据点的89.7 。以上分析表明,所 构建的流动应力模型的精度较高。 75 65 55 8O 盘_ 三6o 4o 兰45 35 25 2O O l5 5 4 应变 a l200℃ 应变 h l3O0℃ 图3不同变形参数下流动应力计算值与实验值的比较 Fig.3 Comparison between calculated and experimental flow stresses for Ti3 A1 based alloy at different deformation conditions 低,流动应力减小。低应变速率时的流动应力一应变 3 结语 1)Ti。A1基合金的流动应力对变形温度和应变 曲线呈稳态流动特征,低温、高应变速率时的流动应 力一应变曲线表现出流动软化特征。为了较好地发 挥Ti。A1基合金的成形性能,该合金适合在较低的 (下转第94页) 速率均敏感,随着变形温度的升高和应变速率的降 台的零件可以采用冲锻成形工艺来成形; 2)在冲锻工序中要保证中心筒状型腔底部充 4 3 3 2 2 l l 足聚料,可以减少在B区产生折叠倾向; ∞∞∞∞∞ a 2mm b 3lnltl ∞∞O 3)在冲锻模中,将上模增加一定高度的分流 槽,可以大大降低成形载荷,且最大成形载荷随着分 流槽高度的增加而降低。当分流槽高度为2 mm c 5mm 图7不同高度分流槽成形结果 Fig.7 The forming results of diffluent troughs with dif ferent heights 时,成形效果良好,成形载荷较小,为实际生产提供 了一定的参考依据。 参考文献: [1] 欧阳坤.大厚差板材零件的冷冲锻成形工艺及其机理 Z 、 研究[D].武汉:华中科技大学,2009. [2]蒋鹏.板料冲压冷锻复合成形技术及其应用『J].汽车 工艺与材料,2000(9):8—11. 挺 繇 [3]李雪松,,吴公明.汽车离合器衬套多道次工艺设 计与仿真[J].中国机械工程,2008,19(19):2269— 行程,miD_ 2271. 图8分流槽对成形载荷的影响 Fig.8 The effect of diffluent troughs on forming load [4]罗建成,王新云,郭美玲,等.不等厚铝合金圆盘的冲锻 成形工艺优化[J].材料科学与工艺,2010(18):229~ 232. 3 结语 采用冲锻成形工艺对带有双凸台皮带轮成形展 开研究,对成形效果、成形载荷进行分析,并通过增 加分流槽进行工艺改进,最终得到良好的成形结果。 [5]SHENG Z Q,SHIVPURI R.A Hybrid Process for Form— ing Thin-walled Magnesium Parts[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,428:180—187. [6] wU H C,ALTAN T.Process Optimization in Stam— ping—a Case Study for Flanging a Clutch Hub from 得出以下几点结论。 1)对于壁厚不均匀、带有极小圆角且有双向凸 Steel PlateEJ].Journal of Materials Processing Tech— nology,2004,146:8—19. (上接第44页) 应变速率进行等温锻造。 2)运用逐步回归分析方法建立了Ti。Al基合金 高温变形的流动应力模型。利用该模型计算出的流 动应力与实验值相比较,误差小于15 的数据点占 连接技术EJ].航空制造技术,2007(6):3o一35. [4] 王智祥,刘雪峰,谢建新.AZ91镁合金高温变形关系 [J].金属学报,2008,44(11):1378—1383. -Js] GRONOSTAJSKI Z J.Development of Constitutive Equa— tions of Copper-silicon Alloys[J].Journal of Materials Processing Technology,1996,60(1--4):621—627. 总数据点的96.4 ,表明该模型具有较高的精度。 参考文献: E1] Yu T H,YUE W J,KO0 C H.Creep Behavior of Ti3A1一Nb Intermetallic Alloys F-j].Materials Chemis try and Physics,1997,50(3):238—242.  J,et a1.Development of Consti— [6] PU Z J,WU K H,SHItutive Relationships for the Hot Deformation of Boron Microalloying TiA1CrV Alloys[J].Materials Science and Engineering:A,1995,192/193(2):780—787. [7] 戚运莲,曾卫东,赵永庆.Ti600合金的高温本构方程 E2]李世琼,张建伟,程云君 等.Ti Al和Ti AINh基金属 间化合物结构材料研发现状[J].稀有金属材料与工 程,2005,34(s1):lO4~1。g. [J].热加工工艺,2006,35(17):5~8. [8] 庄楚强,何春雄.应用数理统计基础[M].广州:华南理 工大学出版社,2006:354—358. [3]吴爱萍,邹贵生,任家烈.Ti。A1合金的发展现状及其 

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