钛板厂家介绍新型TA32钛合金板的高温拉伸变形行为

引言

TA32钛合金是在TA12钛合金的基础上研制的一种新型近α型高温钛合金，其塑性和抗蠕变性能优良，在航空发动机加力燃烧室筒体和巡航导弹弹体中均有应用，是一种很有应用潜力的耐高温钛合金[1-3]。TA32钛合金在常温下的塑性较差，一般采用热成形工艺对其进行加工[4]，因此开展TA32钛合金高温流变行为的研究对其成形工艺方案的制定及数值模拟具有重要的意义。

目前,对于近α型高温钛合金的高温变形行为已进行了大量的研究，且主要集中在高温流变行为和本构模型方面。研究表明，温度和应变速率的变化均会对近α型钛合金的高温流变应力产生影响[5-7]，并提岀了多种高温本构模型用于描述近α型钛合金的高温变形行为。HAJARI等凶基于双曲正弦型Arrhenius模型建立了T1-6242S钛合金的高温本构模型，但模型中未包含应变的影响,仅能对流变曲线的特定点进行预测，具有一定的局限性。PENG等[9]分别采用双曲正弦型Arrhenius模型和人工神经网络方法描述Ti60合金的高温流变行为，对比发现基于人工神经网络方法建立的本构模型能更好地表征该合金的高温流变行为，但该模型缺乏物理意义，外推能力较弱。肖宁斌等购、申发兰等[10]采用Grosman方程分别建立了BTi6431S、TA15钛合金的高温本构模型，能较好地预测合金塑性变形段的流变行为。

目前,国内对TA32钛合金的研究主要集中在组织性能及成形工艺方面M,而在高温变形行为方面的研究较少。为此，作者采用高温拉伸试验研究TA32钛合金的高温流变行为，并基于修正的Hooke定律和Grosman方程建立了相应的高温流变本构模型，为TA32钛合金热成形工艺的制定及数值模拟提供依据。

1、试样制备与试验方法

试验材料选用宝鸡钛业股份有限公司生产的1.5mm厚TA32钛合金板，其化学成分如表1所示,显微组织如图1所示。由图1可以看出，TA32钛合金的组织由大量白色a相和黑色等轴β相组成.为典型的近α型组织。

在试验合金板上截取如图2所示的高温拉伸试样,在试样表面喷涂氮化硼高温氧化剂.防止高温氧化吸氢；根据GB/T4338-2006,在UTM5504X型电子万能试验机上进行等应变速率拉伸试验，变形温度分别为650,700,750,800,850°C，应变速率分别为0.100,0.010,0.001s^-1。

2、试验结果与讨论

由图3可知：TA32钛合金的流变应力受变形温度和应变速率的影响显著，变形温度的升高和应变速率的降低均会使流变应力减小;在变形初期，合金加工硬化作用明显，导致流变应力快速增加，在达到峰值应力后则开始出现流动软化现象，流变应力缓慢降低直至试样断裂；随着应变速率的降低和温度的升高，峰值应力降低，流动软化阶段变长;在变形温度为850°C、应变速率为0.001s^-1条件下，TA32钛合金的峰值应力降低至60MPa左右，伸长率为275.3%,其流动软化阶段近乎为一条水平线，表现出超塑性现象。

由图4可以看出：在相同变形温度下，TA32钛合金的抗拉强度和屈服强度均随着应变速率的减小而降低，伸长率则随之增加；在相同应变速率下，抗拉强度和屈服强度随着变形温度的升高而降低，而伸长率则增加；当应变速率为0.001s^-1、变形温度从650°C升高到850°C时,TA32钛合金的抗拉强度由607.2MPa降至72.1MPa,伸长率则由70%增至275%；当变形温度为850°C、应变速率由0.100s^-1下降到0.001s^-1时.抗拉强度由299.8MPa降至72.1MPa.伸长率由82%增至275%。可见,TA32钛合金的高温拉伸变形行为具有温度和应变速率敏感性。在温度650°C、应变速率0.100s^-1条件下，TA32钛合金的抗拉强度为680MPa,约为常温抗拉强度的80%,该合金仍具有较高的强度，这与其成分中添加的钮、規元素的作用有关［14]。当温度由750°C升至850°C时，TA32钛合金伸长率的增长幅度和强度的下降幅度均较明显，说明在该温度范围内，合金的塑性较好,其在加工时对模具产生的磨损较小，因此该合金适合在750-850°C温度范围内进行热成形加工。

3、本构模型的建立及试验验证

3.1模型的建立

不同拉伸条件下TA32钛合金的真应力-真应变曲线如图5所示，其弹性阶段和塑性阶段可分别采用修正的Hooke定律和Grosman方程来描述,具体的表达式如下。

弹性阶段：

塑性阶段：

式中：σ_e，σ_p分别为弹性阶段和塑性阶段的流变应力；ε，ε'分别为应变与应变速率；E为弹性模量；T为变形温度;m为应变速率敏感系数；n，n1心均为应变硬化指数;C为强化系数。

其中,E,C,m,n和n1均与应变速率、变形温度有关，因此需要对这5个参数进行拟合。

3.1.1参数E的拟合采用最小二乘法对图5中各曲线的弹性变形阶段进行拟合，计算得到不同变形温度和应变速率下的弹性模量，结果如表2所示。

由表2可以看出，弹性模量与变形温度、应变速率有关，其关系式[11]可表示为式中:A.B分别为应变速率、变形温度对弹性模量的影响系数。

经计算得到的A，B列于表3中。

由表3可知，影响系数A受变形温度变化的影响较小,B则随变形温度的升高而减小。B与变形温度的倒数呈线性关系,经线性拟合得

将A的平均值及拟合得到的B代入式(4),可得到弹性模量与变形温度、应变速率的关系式为

3.1.2参数C，n，n1，m的拟合

由式(1)可知,在均匀塑性变形阶段，当ε—定时，m可表示为

取ε为0.2时不同变形温度和应变速率下的真应力，采用最小二乘法对不同变形温度下的Inσ与lnε'进行拟合,从而得到不同变形温度下的m。由图6可以看出，加与变形温度的倒数呈线性关系，其关系式可表示为

令Cε'^m=C₀,代入式(2),等号两边取自然对数可得

对式(8)求偏导可得

取真应力-真应变曲线的均匀塑性变形阶段的数据进行线性回归分析.得到不同变形温度、应变速率下的n。n受变形温度和应变速率的影响，其关系式可表示为

式中：A₁，B₁分别为应变速率、变形温度对n的影响系数。

对n进行线性拟合，得到参数A₁，B₁列于表4中。

由表4可知.A₁基本不变，而B₁与变形温度的倒数呈线性关系，如图7所示。采用最小二乘法对B1和T^-1进行拟合，得到B,的关系式为

将式(11)代入式（10）得到

将计算得到的加m，n代入式(2),然后对真应力-真应变曲线进行拟合，得到TA32钛合金在不同条件下的C₀和n₁。采用同样的方法可得C和n₁的表达式为

将上述得到的E,C,n,n₁,m关系式代入式(1)和式(2)中.则TA32钛合金在变形温度为650〜850°C、应变速率为0.100~0.001s^-1条件下的本构模型可表示为

3.2模型的试验验证

将变形温度、应变速率、真应变代入式(15)和式(16),得到TA32钛合金的真应力-真应变曲线计算结果，并与试验结果进行对比。由图8可以看出，在弹性阶段和塑性稳态流变阶段的计算结果与试验结果基本吻合,但因塑性均匀变形阶段的取点数量较少,导致该阶段的计算结果和试验结果存在一定的偏差。

将由本构模型和试验方法得到的应力分别标示Hooke定律和Grosman方程建立的本构模型的相在同一坐标系中.如图9所示，计算得到采用修正关系数R和平均相对误差分别为0.9794和11.1%»由此可见，所建立的高温流变本构模型能够较好地描述TA32钛合金的高温拉伸变形行为,可以用于TA32钛合金高温变形行为的数值模拟及预测。

4、结论

(1)在变形温度650-850°C、应变速率0.100〜0.001s^-1条件下,TA32钛合金的流变应力受变形温度和应变速率的影响显著，变形温度的升高和应变速率的降低均会使流变应力减小。

(2)在相同变形温度下,合金的抗拉强度和屈服强度随着应变速率的减小而降低，伸长率则增加；在相同应变速率下，抗拉强度和屈服强度随着变形温度的升高而降低，而伸长率则随之增加;在变形温度650°C、应变速率0.100s^-1条件下，合金的抗拉强度为680MPa,约为常温抗拉强度的80%,合金仍具有较高的强度；当温度由750°C升至850°C时，合金伸长率的增长幅度和强度的下降幅度均较明显，塑性较好。

(3)采用建立的1A32钛合金板的高温流变本构方程计算得到的真应力-真应变曲线与试验结果基本吻合,其相关系数和平均相对误差分别为0.9794和11.1%,该本构模型可较好地描述TA32钛合金的高温拉伸变形行为。

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