TC4鈦合金高溫流變行為及微觀組織演變研究

吳韜文，王寧，陳明和，謝蘭生，史文祥

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

鈦合金由于其比強度高、耐腐蝕、耐高溫、高溫成形性能好等特點，廣泛應用于航空航天等工業領域[1-2]。TC4是一種基于TC4的(α+β)型鈦合金，其C、N、O體積分數處于可控水平，并有望實現良好的斷裂韌性。目前，對TC4鈦合金研究主要集中在損傷容限、加工工藝等方面，對材料高溫成形性能的研究較少。因此有必要研究鈦合金在高溫變形條件下微觀組織變化及變形機制[3-5]。

為了準確模擬鈦合金高溫成形過程，建立高溫本構關系是鈦合金高溫成形研究的基礎。鈦合金高溫成形中主要因素為變形過程中應力、應變和溫度的關系。Arrhenius模型考慮了應力、應變、溫度3個因素，可以準確描述材料的流變應力。文獻[6]結合Z參數建立了TC31鈦合金的Arrhenius本構方程，證實了基于應變修正的Arrhenius本構方程擁有較高的預測精度。文獻[7]認為Ti55鈦合金在885 ℃～935 ℃下的變形和軟化機制分別為晶界滑移和不連續動態再結晶。文獻[8]提出了一種基于Arrhenius型雙曲線正弦方法的應變立方分段函數，提高了TC11鈦合金Arrhenius類型流變應力本構模型的精度。

本文通過高溫拉伸試驗，探究溫度、應變速率、應變量對TC4鈦合金流變行為和微觀組織的影響，獲得了TC4鈦合金高溫下的真實應力-應變曲線，建立了TC4鈦合金的統一黏塑性本構模型。

1 實驗

本次試驗材料為100 mm×100 mm×80 mm的TC4鈦合金塊，材料的主要質量分數如表1所示。沿塊料切取原始式樣，進行電解拋光處理。電解液配比為60vol%甲醇+34vol%正丁醇+6vol%高氯酸，拋光電流電壓為0.8 A和30 V，拋光時間為35 s。接著使用Kroll試劑腐蝕，最后獲得TC4鈦合金的原始微觀組織。如圖1所示，合金由等軸α相、片層狀α相和晶間β相構成。

圖1 TC4鈦合金的原始微觀組織

拉伸試驗所使用的設備是UTM5504X型電子萬能試驗機，配有高溫爐，控制精度±2 ℃。實驗前，仔細打磨試樣標距段，避免試樣表面由于切割產生的毛刺、劃痕對實驗產生影響。

在700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、恒定應變速率0.001 s-1、0.01 s-1、0.1 s-1和固定真應變0.2、0.3、0.5、0.7下進行高溫拉伸實驗，高溫拉伸實驗前，將試樣保溫15 min，高溫拉伸結束后迅速取出試樣水冷，保留高溫組織。

使用DM3000型Leica金相顯微鏡對實驗后試樣組織進行觀察，并利用image pro plus6.0對TC4鈦合金中微觀組織進行測量，表1為金相圖的分析依據。

表1 試驗用TC4鈦合金的質量分數 單位：%

2 高溫流變行為分析

圖2為不同實驗條件下的材料真實應力-應變曲線。在彈性階段，流變應力隨著應變的增加而迅速增加，當應變超過一定值后，進入屈服階段，該階段內位錯不斷遷移并積聚，位錯密度提高，材料強度上升。當流變應力達到峰值應力后，材料進入穩定塑性變形階段，流變應力變化穩定，且隨著應變的增加而降低。該階段內可能發生動態回復、再結晶等組織演變。隨著該過程的繼續進行，試樣出現頸縮并隨后斷裂。

圖2 TC4鈦合金高溫拉伸真實應力-應變曲線

當溫度一定時，隨著應變速率的降低，峰值應力降低，延伸率增大。當應變速率一定時，隨著溫度的升高，峰值應力降低，延伸率先增大后減小再增大。其中，當溫度和應變速率分別為850 ℃和0.001 s-1時，最大延伸率達到119%。

圖2表明，溫度對TC4鈦合金流變應力影響較大，隨著溫度升高，金屬內部發生動態再結晶，軟化金屬，材料變形抗力降低。此外，當溫度升高，原子動能增大，原子狀態趨于不穩定，在外力作用下原子容易脫離平衡位置，晶間滑移作用增強，提高了材料塑性，降低了材料流變應力。

當應變速率增大時，晶間滑移、晶體位錯運動和擴散蠕變等無法充分擴展和完成，從而產生更多的彈性變形。由胡克定律可知，彈性變形越大，應力越大。此外，由于變形時間短，金屬沒有足夠時間進行恢復或再結晶，軟化過程不充分，金屬塑性降低，流變應力增大，金屬會較早達到斷裂階段。

3 TC4微觀組織演變規律

圖3為不同溫度下TC4鈦合金微觀組織圖。隨著溫度升高，再結晶程度不斷加強，小晶粒不斷相互吞食而長大，等軸α相含量減少，β相含量增加，β相基體上析出次生片狀α相，材料塑性延伸強度降低。

圖3 0.001 s-1、0.2時不同溫度下的TC4微觀組織

圖4為不同應變速率下TC4鈦合金微觀組織圖。從圖中可以看出，當達到相同應變量時，應變速率0.1 s-1試樣中晶粒尺寸最大，而0.001 s-1時的晶粒尺寸最小，且多為等軸狀。這是由于較低的應變速率下，材料有足夠時間發生動態再結晶，從而形成尺寸較小的等軸晶粒。因此在此階段的流變應力表現出較低且穩定的趨勢。

圖4 850 ℃、0.2時不同應變速率下的TC4微觀組織

圖5為不同應變量下TC4鈦合金微觀組織圖。圖中藍色表示大角度晶界(HAGBs)，紅色表示小角度晶界(LAGBs)。隨著應變量的增加，材料中的位錯發生遷移并聚集，在晶界處形成HAGBs，促進了動態再結晶的發生，片層狀α晶粒破碎形成小尺寸等軸晶粒，消耗了材料中的位錯，導致位錯密度下降，因此流變應力不斷下降(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

圖5 850 ℃、0.001 s-1時不同應變量下的TC4微觀組織

4 TC4統一黏塑性本構方程

統一黏塑性模型是一種基于位錯密度的本構模型，該模型將描述材料變形過程中微觀組織演變的內變量引入了統一本構理論[9]。其本構模型基本形式主要包括高溫流動方程、硬化方程、位錯密度演變方程、內變量演變方程及胡克定律。

本文根據TC4鈦合金熱變形行為建立了一組能夠反映物理內變量的統一黏塑性本構模型，如式(1)所示。

(1)

由于統一黏塑性本構模型參數多，且高度耦合，因此根據文獻[10]提出的目標函數表達式，如式(2)所示，利用MATLAB中的遺傳算法工具箱對本構方程進行優化。

(2)

式中：X為需要優化的參數；M為真實應力-應變曲線條數；Nj為第j條曲線上的數據點；r為權重距離。

圖6為TC4鈦合金在700 ℃～850 ℃拉伸時通過統一黏塑性本構模型計算曲線(實線)與實驗結果(符號點)。圖中表明，模擬計算曲線與實驗數據點基本吻合，可以正確預測材料在不同溫度和應變速率下發生變形的4個階段以及隨著溫度升高和應變速率下降而導致流變應力下降的現象，說明該本構模型能準確描述TC4鈦合金在高溫下的變形行為。

圖6 統一黏塑性方程曲線與實驗結果對比

圖7為不同溫度下實驗應力與預測應力之間的關系。

圖7 模型計算應力與實驗應力相關性分析圖

從圖7可以看出在700 ℃～800 ℃范圍內大多數數據點都在σE=σC附近，不同溫度下的線性相關系數R在0.912 34～0.937 23之間，最大平均絕對誤差MAE和均方差RMSE為35.167 9 MPa和54.223 2 MPa；在850 ℃下，其預測相關性只有0.866 34，平均絕對誤差MAE和均方差RMSE分別為18.016 2 MPa和27.149 8 MPa，預測結果較差。相關性結果表明所建立模型能夠有效預測700 ℃～800 ℃下的流變應力。

5 結語

本文采用單軸高溫拉伸，獲得了TC4鈦合金在700 ℃～850 ℃和應變速率0.001～0.1 s-1條件下的高溫拉伸曲線及微觀組織，分析了拉伸條件對材料流變行為及微觀組織的影響，并建立了一組統一黏塑性模型來預測材料流變行為和流變應力，得到如下結論。

1)隨著溫度升高和應變速率的降低，材料流變應力逐漸降低，延伸率逐漸升高，并在850 ℃、0.001 s-1的條件下獲得最大延伸率，達119%。

2)升高溫度、降低應變速率和增加應變量能有效促進TC4鈦合金發生動態再結晶，軟化金屬，消耗材料中的位錯，使材料流變應力下降。

3)統一黏塑性本構模型所預測的應力在700 ℃～800 ℃與實驗值的線性相關值為0.912 34～0.937 23，而850 ℃時僅為0.866 34，表明該模型在700 ℃～800 ℃下能有效預測TC4鈦合金流變行為及流變應力。