新型铌合金的高温变形行为研究范文

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《稀有金属材料与工程杂志》2016年第四期

摘要：

利用Gleeble-3500试验机对一种新型铌合金在1000~1200℃下的热变形行为进行了热压缩模拟。结果表明：合金的流变应力大小对变形温度和应变速率非常敏感，流变应力随变形温度升高而降低，随应变速率提高而增大；合金的高温变形遵行幂函数方程，应力指数n为12.03，相应的激活能Q为577.63kJ/mol，并回归出了反映锻造热力学参数对材料成型性能影响的本构方程。

关键词：

铌基合金；热压缩试验；本构方程

难熔金属铌合金的密度不仅与镍合金相当，而且具有较高的熔点，较高的高温强度，较好的加工性能，能制成薄板和外形复杂的零件，因此得到了材料研究工作者的极大关注[1-7]。Nb-Ti-Al系铌基合金是西北有色金属研究院研制的一种新型低密度（ρ≤7g/cm3）、高强度（1000℃，Rm≥100MPa）铌合金，是我国目前研发的比强度最佳的铌基合金，可用于航空航天高温结构件领域。但该合金的合金化程度较高，材料的加工性较差，成品率较低。工业生产中，往往希望采用大的变形量和高的变形速率来对金属材料进行热加工，以便提高生产效率从而降低生产成本。材料的可加工性决定了材料的加工效率，而材料的可加工性与材料的本质性能息息相关。本研究以挤压态Nb-Ti-Al系合金为对象，进行热压缩模拟试验，通过对其应力-应变曲线及其微观组织的分析，研究合金的高温变形机理，为合金的热加工工艺提供理论参考。

1实验

本实验所用合金的名义成分如表1所示,其中X代表其他微量元素。其原始组织为挤压态组织，见图1所示。将原始材料加工成Φ8mm×12mm的圆柱体试样，在Gleeble-3500试验机上进行热压缩，通过热压缩测定了合金的应力-应变曲线。热压缩模拟工艺参数为：（1）应变量40%；（2）应变速率0.1、1和10s-1；（3）应变温度分别为1000、1100和1200℃。将试样沿与压缩轴平行的方向对半剖开，分别制取金相试样，用奥林巴斯PMG3卧式金相显微镜观察合金的显微组织。

2结果和讨论

2.1变形温度和应变速率对合金变形抗力的影响图2是合金在不同变形温度和不同应变速率下压缩后的真应力-应变曲线。从图中可看出：①合金变形抗力对应变速率较为敏感，随应变速率的增大，流变应力迅速增大；②合金变形抗力对变形温度也较为敏感，随温度的升高，流变应力降低很明显；③合金在不同的变形温度和应变速率下发生变形的真应力-应变曲线的形状不同，在1000℃下大应变速率变形时，应力达到峰值后曲线接近为一水平线，随应变速率的降低和变形温度的升高，应力达到峰值后曲线开始下降，后逐渐接近水平。说明合金在不同的变形条件下的加工硬化软化方式不同。图3和图4分别为合金在不同变形温度及不同应变速率下的金相组织。从图3可看出，在1000℃高应变速率下压缩后，合金组织中除晶粒被压扁以外，晶界出现锯齿状，为典型的动态回复组织；随应变速率降低，晶粒边界锯齿状越明显，并有个别再结晶晶粒出现。从图4可看出，在1200℃高温下变形时，即使在高应变速率下，合金组织中已经有再结晶晶粒出现，随应变速率的降低，再结晶更为明显，并出现大量等轴晶粒。以上分析结果表明，在1000℃，较高的应变速率下，合金加工硬化软化行为表现为动态回复，在较低的应变速率下，合金加工硬化软化要以动态回复为主，并伴随有动态再结晶出现；在1200℃高温变形时，合金加工硬化的软化主要以动态再结晶为主。

2.2动力学研究金属的高温变形行为属于热激活变形，其流变应力主要取决于变形温度和应变速率。通过对不同材料高温塑性变形的试验数据研究表明。图6为不同变形温度下应变速率与峰值应力之间的双曲正弦关系，其中α值为本研究所优化获得的0.002。由拟合结果可以看出，在整个实验条件下，两者之间很好地符合线性关系。拟合后得到了不同温度下的应力指数n，可见，应力指数对变形温度很敏感，温度越高，应力指数越小，应力指数的平均值为12.03。图7给出了不同应变速率下温度和峰值应力之间的双曲正弦关系。结果表明，在整个实验范围内，峰值应力的双曲正弦对数与变形温度的倒数之间也非常好地符合线性关系。根据图6和图7可求得该合金的平均变形激活能为577.63kJ/mol。有文献指出，在高温下，C-103合金的应力指数为2.87，Nb-1Zr合金和Nb-9W-1Zr合金的应力指数分别为图5本构方程中α的优化(α=β/n1)Fig.5Plotsoflnσvslnε(a)σvslnε(b)6.0和5.5[11]，因此，应力指数值与合金中的固溶元素有很大的关系。本实验合金的应力指数高达12.03，是由于该合金中固溶元素较多所致。另外，Nb的自扩散激活能为350~450kJ/mol[12]，C-103、Nb-1Zr和Nb-9W-1Zr合金的变形激活能分别为374、371和354kJ/mol[9]，与Nb的自扩散激活能较接近，其高温塑性变形主要来源于铌在合金中的自扩散。而本研究合金的变形激活能远高于Nb的自扩散激活能，主要原因为合金中W、Mo等金属元素的固溶强化作用，这些元素的键级（相邻原子间的结合能力）大于Nb元素的键级[13]，加入后会使合金的键级增大，使得合金元素原子之间的结合力增强，这样高温下热变形扩散时金属原子间难以移动，从而使合金的激活能增大。

2.3合金本构方程利用上述所求的α和n值，通过计算Z值和lnZ值，得到lnA值为34.67。通过绘制lnZ和ln[sinh(ασ)]间的函数关系图（图8），对其进行线性拟合后，可得Z参数与峰值应力之间关系为：

3结论

1)本实验的Nb-Ti-Al合金在高温变形时流变应力对温度和应变速率均较为敏感，随温度的升高，流变应力降低很明显；随应变速率的增大，流变应力迅速增大。2)不同的变形温度下合金的软化机理不同，在1000℃变形时，主要以动态回复为主；在1200℃变形时，开始出现动态再结晶。3)依据Zener-Hollomon参数法，建立的合金的本构方程。

作者：蔡小梅 郑欣 白润 王峰 刘辉 夏明星 王晖 单位：西北有色金属研究院