近β钛合金Ti-55511...rhenius本构方程研究_罗登.pdf

第 28 卷第 3 期 粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 Vol.28 No.3 Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy Jun.2023 DOI:10.19976/ki.43-1448/TF.2023027 近 钛合金 Ti-55511 热塑性变形的流变应力分析与 Arrhenius 本构方程研究 罗登1，胡斌2，王振1，周文浩1，孔玢3，张晓泳2 (1.湘潭钢铁集团有限公司，湘潭 411100；2.中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083；3.湖南湘投金天钛金股份有限公司，长沙 410205)摘 要：主要研究 Ti-55511 钛合金在变形温度为 700850、应变速率为 0.0110 s1、真应变为 0.6 条件下的热压缩变形行为。结果表明，Ti-55511 钛合金的流变应力受变形温度和应变速率的影响显著，峰值应力随变形温度降低和应变速率升高而升高。为消除热压缩过程中的温升效应，提高模型的准确性，本文采用新的温度修正方法，即通过 Arrhenius 方程推导，并利用数学外推法，对实验流变应力曲线进行温度修正，修正结果表明，变形温度越低、应变速率越高，温升和流变应力增量越大。在温度修正的基础上，建立基于应变补偿的 Arrhenius 本构方程，用该本构方程预测的流变应力与实测流变应力之间的相关系数(R2)和平均绝对相对误差(average absolute relative error,AARE)分别为 0.991 和 6.65%，表明用本构方程能够精确地预测不同热变形条件下的流变应力。关键词：Ti-55511 钛合金；热变形；流变应力；曲线修正；Arrhenius 本构方程 中图分类号：TG146.2 文献标志码：A 文章编号：1673-0224(2023)03-212-11 Flow stress analysis and Arrhenius constitutive equation of near titanium alloy Ti-55511 during thermoplastic deformation LUO Deng1,HU Bin2,WANG Zhen1,ZHOU Wenhao1,KONG Bin3,ZHANG Xiaoyong2 (1.Xiangtan Iron&Steel Group Co.,Ltd.,Xiangtan 411100,China;2.State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,China;3.Hunan Xiangtou Goldsky Titanium Metal Co.,Ltd.,Changsha 410205,China)Abstract:Hot deformation behavior of Ti-55511 titanium alloy was studied at deformation temperatures of 700850,strain rates of 0.0110 s1 and true strain of 0.6.The results indicate that the flow behavior of Ti-55511 titanium alloy is significantly affected by deformation temperature and strain rate.With the decrease of temperature and the increase of strain rate,the peak stress increases.In order to eliminate the deformation temperature rise effect in the process of hot compression and improve the accuracy of the model,a new temperature correction method was adopted in this paper.The temperature correction of the experimental flow stress curve was carried out through the Arrhenius constitutive equation derivation and combined with the mathematical extrapolation method.The results show that with the decrease of deformation temperature and the increase of strain rate,temperature rise and flow stress increment increase.The Arrhenius constitutive equation of strain-compensated is established,and the value of correlation coefficient(R2)and average absolute relative error(AARE)between experimental and predicted stress are 0.991 and 6.65%,respectively.This indicates that the 基金项目：湖南省技术攻关“揭榜挂帅”项目(2021GK1080)收稿日期：20230324；修订日期：20230421 通信作者：张晓泳，教授，博士。电话：0731-88879422；E-mail: 第 28 卷第 3 期 罗登，等：近 钛合金 Ti-55511 热塑性变形的流变应力分析与 Arrhenius 本构方程研究 213established constitutive equation can accurately predict the flow stress under different thermal deformation conditions.Keywords:Ti-55511 titanium alloy;hot deformation;flow stress;curve correction;Arrhenius constitutive equation Ti-55511 钛合金(名义成分为 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，质量分数，%)是一种高合金化的近 钛合金，由于轻质、高比强度、高断裂韧性及优异的耐腐蚀性能，已广泛应用于航空航天领域的一些关键承重结构件13。热塑性加工是低成本、短周期制造高性能钛合金结构件的关键技术，这些Ti-55511 钛合金关键结构件一般采用高温热锻工艺进行加工，以降低塑性变形阻力，并保证锻件的综合力学性能4。通过控制热锻过程的热变形参数能够有效改变钛合金的组织形态，进而控制最终的力学性能5，但钛合金的热加工窗口较窄，合金组织对热加工参数较敏感68。此外，热变形过程中涉及多种物理场(温度场、应变场、应力场等)，多场耦合作用使得钛合金的流变行为调节难度较大，因此，必须对钛合金的高温流变行为进行深入研究。Ti-55511 钛合金在+两相区的热变形过程中，加工硬化、动态回复和动态再结晶机制相互竞争，使其高温塑性流变行为非常复杂，而材料的宏观力学行为响应与这些组织演变机制密切相 关911。因此，通过深入了解 Ti-55511 钛合金不同热变形条件下的宏观流变行为，研究显微组织的演化具有重要意义。随着计算机技术的高速发展，有限元数值仿真技术在金属热塑性变形领域得到广泛应用，建立一个精准的热塑性本构模型是保证数值模拟仿真准确性的必要前提12。目前，本构模型主要包括宏观唯象模型、微观物理模型和人工神经网络模型，宏观唯象模型由于形式简单、准确度高，广泛应用于工程及数值模拟领域1315。宏观唯象本构模型又包含 Arrhenius 峰值应力本构模型和基于应变补偿的 Arrhenius 本构模型1617。Arrhenius 峰值应力本构模型没有考虑应变量对流变应力的影响，将本构方程中的应变速率敏感指数 n、变形激活能 Q 以及材料常数 等视为恒定值，但实际热变形过程中，这些参数均随变形量变化而改变，因此，Arrhenius 峰值应力本构模型难以描述实际热变形过程的流变应力变化。为了更精确地描述 Ti-55511钛合金的热变形行为，本文通过热压缩实验对Ti-55511 钛合金热变形过程的流变应力变化规律进行研究，在考虑变形热的前提下，采用新的温度修正方法对应力应变曲线进行温度修正，并在此基础上引入应变参数，建立基于应变补偿的 Arrhenius本构方程，以期为 Ti-55511 钛合金热加工工艺的制定提供依据，并为有限元数值仿真提供基础数据。1 实验 1.1 原材料 实验所用材料为 Ti-55511 钛合金锻坯，由湖南湘投金天钛业科技有限公司提供，合金成分列于表1，通过连续升温金相法确定该合金的/相变点为875。表 1 Ti-55511 钛合金坯料的成分 Table 1 Components of Ti-55511 titanium alloy forging(mass fraction,%)Al Mo V Cr Fe 5.160 04.920 04.960 0 1.100 0 0.980 0C N O H Ti 0.014 00.001 30.150 0 0.001 0 Bal.先将 Ti-55511 钛合金在 单相区进行开坯锻造，然后在+两相区锻造，水冷至室温。将此锻态 Ti-55511 钛合金试样进行磨抛，然后腐蚀，腐蚀液由 HF、HNO3和 H2O 按照 33100 的体积比混合而成。采用 OLYMPUS 金相显微镜对腐蚀后的合金锻态显微组织进行表征，如图 1 所示。并用Quantan 250 FEG扫描电镜和Image Pro Plus分析软件对合金中 相的形貌、尺寸、含量等进行统计和分析。从图 1 看出，Ti-55511 钛合金锻态组织十分均匀，为典型的+双态组织。相的体积分数为 粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 214 图 1 Ti-55511 钛合金的锻态组织 Fig.1 Microstructure of forged Ti-55511 titanium alloy 56%，其中等轴 相的直径为 58 m，针状 相长度为 210 m、直径为 0.10.5 m。1.2 热压缩实验 从Ti-55511钛合金锻件上切取尺寸(直径长度)为 10 mm15 mm 的圆柱形试样，进行表面抛光处理，然后在 Gleeble-3800 热模拟实验机上进行热压缩实验。为减少摩擦，尽量保证压缩试样均匀变形，在压缩试样的上下表面和夹具之间放置0.15 mm厚度的薄钽片和石墨片。在压缩试样的中部焊接 K 型电偶，对实际变形温度进行实时监测，以保证试样的恒温变形。图 2 所示为单道次热压缩示意图，先以 10/s 的升温速率升至指定温度，保温 3 min 使样品加热均匀，然后在不同的变形温度(700、750、800 和 850)和变形速率(0.01、0.1、1 和 10 s1)下 图 2 Ti-55511 钛合金的单道次压缩示意图 Fig.2 Single-pass compression schematic diagram of Ti-55511 titanium alloy 进行+两相区变形，压缩变形量为 60%，水淬至室温。2 结果与讨论 2.1 应力应变曲线 图3所示为Ti-55511钛合金在不同变形温度和应变速率下的热压缩真应力应变曲线。从图中看出，在不