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新型鈮合金的高溫變形行為研究范文

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新型鈮合金的高溫變形行為研究

《稀有金屬材料與工程雜志》2016年第四期

摘要:

利用Gleeble-3500試驗機對一種新型合金在1000~1200℃下的熱變形行為進行了熱壓縮模擬。結(jié)果表明:合金的流變應(yīng)力大小對變形溫度和應(yīng)變速率非常敏感,流變應(yīng)力隨變形溫度升高而降低,隨應(yīng)變速率提高而增大;合金的高溫變形遵行冪函數(shù)方程,應(yīng)力指數(shù)n為12.03,相應(yīng)的激活能Q為577.63kJ/mol,并回歸出了反映鍛造熱力學(xué)參數(shù)對材料成型性能影響的本構(gòu)方程。

關(guān)鍵詞:

鈮基合金;熱壓縮試驗;本構(gòu)方程

難熔金屬鈮合金的密度不僅與鎳合金相當(dāng),而且具有較高的熔點,較高的高溫強度,較好的加工性能,能制成薄板和外形復(fù)雜的零件,因此得到了材料研究工作者的極大關(guān)注[1-7]。Nb-Ti-Al系鈮基合金是西北有色金屬研究院研制的一種新型低密度(ρ≤7g/cm3)、高強度(1000℃,Rm≥100MPa)鈮合金,是我國目前研發(fā)的比強度最佳的鈮基合金,可用于航空航天高溫結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域。但該合金的合金化程度較高,材料的加工性較差,成品率較低。工業(yè)生產(chǎn)中,往往希望采用大的變形量和高的變形速率來對金屬材料進行熱加工,以便提高生產(chǎn)效率從而降低生產(chǎn)成本。材料的可加工性決定了材料的加工效率,而材料的可加工性與材料的本質(zhì)性能息息相關(guān)。本研究以擠壓態(tài)Nb-Ti-Al系合金為對象,進行熱壓縮模擬試驗,通過對其應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其微觀組織的分析,研究合金的高溫變形機理,為合金的熱加工工藝提供理論參考。

1實驗

本實驗所用合金的名義成分如表1所示,其中X代表其他微量元素。其原始組織為擠壓態(tài)組織,見圖1所示。將原始材料加工成Φ8mm×12mm的圓柱體試樣,在Gleeble-3500試驗機上進行熱壓縮,通過熱壓縮測定了合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。熱壓縮模擬工藝參數(shù)為:(1)應(yīng)變量40%;(2)應(yīng)變速率0.1、1和10s-1;(3)應(yīng)變溫度分別為1000、1100和1200℃。將試樣沿與壓縮軸平行的方向?qū)Π肫书_,分別制取金相試樣,用奧林巴斯PMG3臥式金相顯微鏡觀察合金的顯微組織。

2結(jié)果和討論

2.1變形溫度和應(yīng)變速率對合金變形抗力的影響圖2是合金在不同變形溫度和不同應(yīng)變速率下壓縮后的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可看出:①合金變形抗力對應(yīng)變速率較為敏感,隨應(yīng)變速率的增大,流變應(yīng)力迅速增大;②合金變形抗力對變形溫度也較為敏感,隨溫度的升高,流變應(yīng)力降低很明顯;③合金在不同的變形溫度和應(yīng)變速率下發(fā)生變形的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀不同,在1000℃下大應(yīng)變速率變形時,應(yīng)力達到峰值后曲線接近為一水平線,隨應(yīng)變速率的降低和變形溫度的升高,應(yīng)力達到峰值后曲線開始下降,后逐漸接近水平。說明合金在不同的變形條件下的加工硬化軟化方式不同。圖3和圖4分別為合金在不同變形溫度及不同應(yīng)變速率下的金相組織。從圖3可看出,在1000℃高應(yīng)變速率下壓縮后,合金組織中除晶粒被壓扁以外,晶界出現(xiàn)鋸齒狀,為典型的動態(tài)回復(fù)組織;隨應(yīng)變速率降低,晶粒邊界鋸齒狀越明顯,并有個別再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)。從圖4可看出,在1200℃高溫下變形時,即使在高應(yīng)變速率下,合金組織中已經(jīng)有再結(jié)晶晶粒出現(xiàn),隨應(yīng)變速率的降低,再結(jié)晶更為明顯,并出現(xiàn)大量等軸晶粒。以上分析結(jié)果表明,在1000℃,較高的應(yīng)變速率下,合金加工硬化軟化行為表現(xiàn)為動態(tài)回復(fù),在較低的應(yīng)變速率下,合金加工硬化軟化要以動態(tài)回復(fù)為主,并伴隨有動態(tài)再結(jié)晶出現(xiàn);在1200℃高溫變形時,合金加工硬化的軟化主要以動態(tài)再結(jié)晶為主。

2.2動力學(xué)研究金屬的高溫變形行為屬于熱激活變形,其流變應(yīng)力主要取決于變形溫度和應(yīng)變速率。通過對不同材料高溫塑性變形的試驗數(shù)據(jù)研究表明。圖6為不同變形溫度下應(yīng)變速率與峰值應(yīng)力之間的雙曲正弦關(guān)系,其中α值為本研究所優(yōu)化獲得的0.002。由擬合結(jié)果可以看出,在整個實驗條件下,兩者之間很好地符合線性關(guān)系。擬合后得到了不同溫度下的應(yīng)力指數(shù)n,可見,應(yīng)力指數(shù)對變形溫度很敏感,溫度越高,應(yīng)力指數(shù)越小,應(yīng)力指數(shù)的平均值為12.03。圖7給出了不同應(yīng)變速率下溫度和峰值應(yīng)力之間的雙曲正弦關(guān)系。結(jié)果表明,在整個實驗范圍內(nèi),峰值應(yīng)力的雙曲正弦對數(shù)與變形溫度的倒數(shù)之間也非常好地符合線性關(guān)系。根據(jù)圖6和圖7可求得該合金的平均變形激活能為577.63kJ/mol。有文獻指出,在高溫下,C-103合金的應(yīng)力指數(shù)為2.87,Nb-1Zr合金和Nb-9W-1Zr合金的應(yīng)力指數(shù)分別為圖5本構(gòu)方程中α的優(yōu)化(α=β/n1)Fig.5Plotsoflnσvslnε(a)σvslnε(b)6.0和5.5[11],因此,應(yīng)力指數(shù)值與合金中的固溶元素有很大的關(guān)系。本實驗合金的應(yīng)力指數(shù)高達12.03,是由于該合金中固溶元素較多所致。另外,Nb的自擴散激活能為350~450kJ/mol[12],C-103、Nb-1Zr和Nb-9W-1Zr合金的變形激活能分別為374、371和354kJ/mol[9],與Nb的自擴散激活能較接近,其高溫塑性變形主要來源于鈮在合金中的自擴散。而本研究合金的變形激活能遠高于Nb的自擴散激活能,主要原因為合金中W、Mo等金屬元素的固溶強化作用,這些元素的鍵級(相鄰原子間的結(jié)合能力)大于Nb元素的鍵級[13],加入后會使合金的鍵級增大,使得合金元素原子之間的結(jié)合力增強,這樣高溫下熱變形擴散時金屬原子間難以移動,從而使合金的激活能增大。

2.3合金本構(gòu)方程利用上述所求的α和n值,通過計算Z值和lnZ值,得到lnA值為34.67。通過繪制lnZ和ln[sinh(ασ)]間的函數(shù)關(guān)系圖(圖8),對其進行線性擬合后,可得Z參數(shù)與峰值應(yīng)力之間關(guān)系為:

3結(jié)論

1)本實驗的Nb-Ti-Al合金在高溫變形時流變應(yīng)力對溫度和應(yīng)變速率均較為敏感,隨溫度的升高,流變應(yīng)力降低很明顯;隨應(yīng)變速率的增大,流變應(yīng)力迅速增大。2)不同的變形溫度下合金的軟化機理不同,在1000℃變形時,主要以動態(tài)回復(fù)為主;在1200℃變形時,開始出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶。3)依據(jù)Zener-Hollomon參數(shù)法,建立的合金的本構(gòu)方程。

作者:蔡小梅 鄭欣 白潤 王峰 劉輝 夏明星 王暉 單位:西北有色金屬研究院

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