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《稀有金屬材料與工程雜志》2016年第四期

摘要：

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

關鍵詞：

鈮基合金；熱壓縮試驗；本構方程

難熔金屬鈮合金的密度不僅與鎳合金相當，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雜的零件，因此得到了材料研究工作者的極大關注[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，是我國目前研發的比強度最佳的鈮基合金，可用于航空航天高溫結構件領域。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。工業生產中，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，以便提高生產效率從而降低生產成本。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性能息息相關。本研究以擠壓態Nb-Ti-Al系合金為對象，進行熱壓縮模擬試驗，通過對其應力-應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力-應變曲線。熱壓縮模擬工藝參數為：（1）應變量40%；（2）應變速率0.1、1和10s-1；（3）應變溫度分別為1000、1100和1200℃。將試樣沿與壓縮軸平行的方向對半剖開，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結果和討論

2.1變形溫度和應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變速率下壓縮后的真應力-應變曲線。從圖中可看出：①合金變形抗力對應變速率較為敏感，隨應變速率的增大，流變應力迅速增大；②合金變形抗力對變形溫度也較為敏感，隨溫度的升高，流變應力降低很明顯；③合金在不同的變形溫度和應變速率下發生變形的真應力-應變曲線的形狀不同，在1000℃下大應變速率變形時，應力達到峰值后曲線接近為一水平線，隨應變速率的降低和變形溫度的升高，應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變速率下的金相組織。從圖3可看出，在1000℃高應變速率下壓縮后，合金組織中除晶粒被壓扁以外，晶界出現鋸齒狀，為典型的動態回復組織；隨應變速率降低，晶粒邊界鋸齒狀越明顯，并有個別再結晶晶粒出現。從圖4可看出，在1200℃高溫下變形時，即使在高應變速率下，合金組織中已經有再結晶晶粒出現，隨應變速率的降低，再結晶更為明顯，并出現大量等軸晶粒。以上分析結果表明，在1000℃，較高的應變速率下，合金加工硬化軟化行為表現為動態回復，在較低的應變速率下，合金加工硬化軟化要以動態回復為主，并伴隨有動態再結晶出現；在1200℃高溫變形時，合金加工硬化的軟化主要以動態再結晶為主。

2.2動力學研究金屬的高溫變形行為屬于熱激活變形，其流變應力主要取決于變形溫度和應變速率。通過對不同材料高溫塑性變形的試驗數據研究表明。圖6為不同變形溫度下應變速率與峰值應力之間的雙曲正弦關系，其中α值為本研究所優化獲得的0.002。由擬合結果可以看出，在整個實驗條件下，兩者之間很好地符合線性關系。擬合后得到了不同溫度下的應力指數n，可見，應力指數對變形溫度很敏感，溫度越高，應力指數越小，應力指數的平均值為12.03。圖7給出了不同應變速率下溫度和峰值應力之間的雙曲正弦關系。結果表明，在整個實驗范圍內，峰值應力的雙曲正弦對數與變形溫度的倒數之間也非常好地符合線性關系。根據圖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合金的應力指數為2.87，Nb-1Zr合金和Nb-9W-1Zr合金的應力指數分別為圖5本構方程中α的優化(α=β/n1)Fig.5Plotsoflnσvslnε(a)σvslnε(b)6.0和5.5[11]，因此，應力指數值與合金中的固溶元素有很大的關系。本實驗合金的應力指數高達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)]間的函數關系圖（圖8），對其進行線性擬合后，可得Z參數與峰值應力之間關系為：

3結論

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

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