不同晶粒尺寸钛合金高温压缩力学行为研究

广鑫源

钛及其合金是理想的金属结构材料，具有比强度高、热强性好、耐蚀性能好和生物相容性好等优点，在航空、航天、舰船、汽车、生物医学等领域有着广泛的应用。其中，TC4钛合金是使用最广泛、最成熟的典型钛合金，占所有钛合金用量的50%以上。但钛合金属于难成形材料，室温塑性低，变形抗力大，变形容易开裂，必须在高温下成形或者进行超塑成形。另外，可以通过细化晶粒的方式改善钛合金的服役性能和加工成形性能。根据Hall－Petch关系，晶粒越细，材料的强度越高。晶粒的细化可以使材料获得高应变速率超塑性或低温超塑性，提高合金的加工性能。因此，普通钛合金的高温变形行为和细晶钛合金的超塑性行为一直是国内外研究的热点，且研究多集中于一种晶粒尺寸钛合金的变形行为。对于细晶钛合金的高温变形行为及晶粒尺寸对钛合金高温变形行为影响的研究鲜有报道。

金属热变形过程中的流动应力是材料在高温下的基本性能之一，它与变形温度、应变速率和应变之间的关系体现了材料在热态塑性加工过程中对热力学参数的动态响应，也是变形体内部显微组织演变的宏观表现。因此，科研人员系统研究了不同晶粒尺寸TC4钛合金（6、12μm和20μm）的高温变形力学行为，探讨了晶粒尺寸对钛合金高温变形力学行为的影响，揭示了晶粒细化对钛合金热加工的影响，为改善钛合金的热加工性能奠定理论基础。

所用试验材料分别为平均晶粒尺寸6、12μm和20μm的Φ8mm×12mmTC4钛合金棒材。晶粒尺寸为6μm和12μm时，合金为典型的等轴组织，晶粒尺寸为20μm时，合金中出现了片状α相。室温压缩试验和高温压缩试验均在Instron－5500R型电子万能材料试验机上进行，室温压缩至试样断裂为止，初始应变速率为10－3s－1。高温压缩试验采取环境加热，温度由热电偶精确控制在±1℃范围内。压缩试验前采用钛合金专用玻璃润滑剂润滑试样。试样放到环境加热炉中至试验温度，保温15min后开始压缩变形。变形温度为750～950℃，间隔50℃，初始应变速率分别为10－4、10－3、10－2s－1和10－1s－1，变形量为50%。研究结果：

晶粒尺寸对TC4钛合金的流动应力有显著的影响。在同一变形温度条件下，当应变速率处于10－1～10－3s－1时，随着晶粒尺寸的减小，峰值流动应力逐渐升高，合金软化速率加快，当变形至稳态阶段时，细晶钛合金流动应力低于粗晶钛合金；当应变速率为10－4s－1时，流动应力随晶粒尺寸的减小而降低。

当应变速率处于10－1～10－3s－1时，流动应力曲线呈现典型的动态再结晶特征，应力随应变的增加而迅速增大，出现一个应力峰值后，应力随应变的增加呈减小趋势。此时合金的主要软化机制是动态再结晶。当应变速率为10－4s－1时，6μm的细晶钛合金产生了超塑性现象。

晶粒尺寸分别为6、12μm和20μm时，TC4钛合金的热激活能依次为360.8、368.3kJ/mol和387.2kJ/mol，均远远高于α钛自扩散激活能204kJ/mol与β钛自扩散激活能161kJ/mol，这表明合金在变形过程中的主要软化机制为动态再结晶。