粉末冶金纯钛的热变形本构方程及热加工图研究.pdf

第 2 0 卷第 4 期 Vb 1 ．2 0 No ． 4 粉末冶金材料科学 与工程 M a t e r i a l s Sc i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f Po wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 5 年 8月 Aug． 2 0 1 5 粉末冶金纯钛的热变形本构方程及热T ． 图研究 刘彬 ， 2 曾凡沛 ，卢金忠 ，刘 咏 2 曹远奎 1 ．福建龙溪轴承 集团 股份有限公司，漳州 3 6 3 0 0 0 ；2 ．中南大学 粉末冶金研究院，长沙 4 1 0 0 8 3 摘要采用热模拟试验方法研究粉末冶金纯钛在温度为 4 0 0 7 0 0。 C、应变速率为 0 ． 0 0 1 ～1 S - 的变形条件下的 热变形行为， 推导出了粉末冶金纯钛的高温变形流变本构方程，建立基于动态材料模型 D MM 的粉末冶金纯钛的 加工图。研究结果表明粉末冶金纯钛的高温流变应力与变形条件之问的关系可用双曲正弦函数描述，其高温变 形激活能为 2 2 1 ．2 3 k J ／ mo l ；在高应变速率条件下 0 ． 1 S - 1 变形时，材料发生失稳变形。粉末冶金纯钛的最佳变形 参数区间为 4 5 0 ～ 5 5 0℃／ 0 ． 0 0 1 ～ 0 ． 0 1 S 和 6 2 5 7 0 0℃／ 0 ． 0 0 1 ～ 0 ．O 1 S ～。 关键词粉末冶金，钛合金，热变形，本构方程，加工图 中图分类号T G 1 4 6 ． 2 3 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 0 2 2 4 2 0 1 5 4 4 9 9 ． 0 6 Co ns t i t u t i v e e q ua t i o n a n d t he r m a l p r o c e s s i ng m a p o f po wd e r m e t a l l ur g y pu r e t i t a n i um LI U Bi n l 一 ，ZE NG f a n p e i 1，L U J i n ． z h o n g ， LI U Yo n g ， CAO Yu a n ． k u i 1 ． F u j i a n L o n g x i B e a ri n g Gr o u p C o r p ． ， L T D． ， Z h a n g z h o u 3 6 3 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f P o w d e r Me t a l l u r g y , C e n t r a l S o u t h Un i v a r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Abs t r a c t De f o r ma t i o n b e h a v i o r o f t h e P ／ M p u r e t i t a n i u m wa s s t u d i e d i n a t e mp e r a t u r e r a n g e o f 4 0 0 7 0 0℃ a n d a s t r a i n r a t e r a n g e o f 0 ．0 0 1 M S ～． A c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n wa s d e r i v e d wi th a r r h e n i u s h y p e r b o l i c s i n e f u n c t i o n a n d a p r o c e s s i n g ma p wa s c o n s t r u c t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t a r r h e n i u s h y p e r b o l i c s i n e fi mc t i o n c a n we l l d e s c rib e the c o n s t i tut i v e e q u a t i o n o f t h e p o wd e r me t a l l u r g y P ／ M p ure t i ta n i u m． T h e a c t i v a t i o n e n e r g y i s 2 2 1 ． 2 3 k J ／ mo 1 ． T h e ma t e ri a l s h o ws u n s t a b l e f l o w wh e n s t r a i n r a t e i s h i g h e r t h a n 0 ． 1 S 一． a n d the b e s t p r o c e s s i n g r e g i o n s a r e 4 5 0 5 5 0“ C／ 0 ． 0 01 - 0 ． 0 1 S 一 a n d 6 2 5 - 7 0 0 C／ O ． 0 0 1 ～ 0 ． 0 1 S ～． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l urg y ； t i t a n i u m a l l o y ； h o t d e f o r ma t i o n ； c o n s t i tut i v e e q u a t i o n ； p r o c e s s i n g ma p 钛及其合金由于具有高强度、低密度及优 良的抗 腐蚀性 能，在航 空航天，医疗器械、汽车工业和化工 等领域得到广泛的应用[ 1 - 4 ] 。 但是钛合金的高成本、 难 加工等 问题一直制约着 它的大 规模应 用 ，特 别是在 民 用领域，如汽车零部件和医疗器械等方面。粉末冶金 工艺具有工艺简单、原料利用率高、可近净成形以及 组织细小 、成分可控等 一系列优 点，是制造 高性能、 低成本钛合金的理想工艺之一[5 】 。 虽然粉末冶金 P ／ M 工艺具有一系列优点，但是通常认为粉末冶金制品仍 需后续的高温变形加工来进一步改善材料组织和性 能【 8 - 1 o ] 。近年来 ，利用基于动态材料模 型 D y n a mi c ma t e r i a l s mo d e l ， DMM 建立 的加工 图 P r o c e s s i n g ma p 作 为设计材料热加工工序的依据 的方法越 来越 普 遍[ 。加工 图能推测最佳 的变形工艺参数，确定某 加工参数 下的变 形机制 ， 已成 功用于 分析熔炼 方法 制 备的钛合金的热变形行为，为控制材料性能和优化加 工工艺提供了依据。但粉末冶金钛合金存在一些不同 于常规冶炼合金的组织特点，其热变形行为也存在不 同之处，因此有必要对粉末冶金钛合金的热变形行为 进 行探 讨。 本文 针对 粉末 冶 金纯钛 热 加工 这一 问题 开展 研 究，采用粉末冶金工艺制备纯钛材料。通过等温匀速 基金项目国家博士后基金项 目 2 0 1 4 M5 5 1 8 2 7 ，国家自然科学基金项 目 5 1 3 0 2 2 0 3 ，湖南省科技计划项 目 2 0 1 4 GK 3 0 7 8 收稿 日期2 0 1 4 - 0 3 - 2 1 ；修订日期2 0 1 4 0 5 0 4 通讯作者 刘彬，副教授，博士。电话0 7 3 1 - 8 8 8 7 7 6 6 9 E ma il Bi n l iu c s u ．e d u ． e l l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 0卷第 4期 刘彬，等粉末冶金纯钛 的热变形本构方程及热加工图研究 蒌 尝 0 暑 高 室 臻 尝 量 T u r e s t r a i n T u r e s t r a i n T u r e s t r a i n 图 3 不同变形条件下粉末冶金纯钛的真应力一 应变曲线 F i g ． 3 T ree s t r e s s s t r a i n c u r v e s f o r P ／ M p u r e t i t a n i u m u n d e r d i f f e r e n t d e f o r ma t i o n c o n d i t i o n s a _ 4 0 0℃； b 一5 0 0℃； c 一6 0 0℃； d 一7 O O℃ 1 n l nA1 1 I nc r 在高应力水平下，流变应力和应变速率之间的关 系接近幂指数关系 I n I n A 2 p o “ 3 由式 2 和 3 可知 ，当温度一 定时，n 1 和 分别为 l n b ． I n 和 l n b ． 关系曲线的斜率。 对试验数据采取 线性回归处理，得到不同变形温度下的 l n ． I n t y和 l n b ． 关 系 曲线 ，如图 4 a 、 b 所 示 。由图 4 a 、 b 分别求出 n l 的平均值为 1 4 ． 3 0 ， 的平均值为 0 ． 0 8 4 9 。 由于 a -- fl ／ ． 1 ，则 仅值 为 0 ． 0 0 5 9 。 假定热变形激活能 Q 在一定温度范围内与 无 关， 对式 1 两边取对数和偏微分后可得在一定温度下 变形激活能 Q的计算式为 n [ s O l nb ． x { } 4 采用线性回归处理，绘制出相应的 I n 关系曲线 如图5 a 所示和l n [ s i n h ] 一 1 ／ 关系曲线 如图5 b 所示 。 将图 5中直线的斜率代入式 4 后， 求得粉末冶 金纯钛在实验条件下的变形激活能为Q 2 2 1 ． 2 3 K J ／ mo l 。 根据 C ． Z e n e r和 H ． H o l l o mo n的研究【 ] ，材料 在 高温 塑性变 形时应 变速 率受热激 活过程 控制，应变 速率与温度之间的关系可用 Z e n e r - H o l l o mo n 参数 z表 不 Z e x p [ Q／ R T ] 5 将 式 5 代入式 1 得 Z A [ s i n h a o ] 6 z参数的物理意义为温度补偿的应变速率因子。 对式 6 两边取对数得 l n Z l n A n l n [ s i n h a a ] 日 ∞ ∞ 占 ∞0 r u _1 日 ∈ ∞ ∞ l s 0 芑【上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 2 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 5 年 8 月 口 图 4 不同变形条件下粉末冶金钛的流变应力与 应变速率的关系 Fi g ． 4 Re l a t i o n s h i p s b e t we e n p e a k s t r e s s a n d s t r a i n r a t e a l n 一 l n o ； C o l n 一 盯 图 5 l n [ s i n h a a ] 与应变速 率和温 度倒数的关系 。 F i g ． 5 R e l a t i o n s h i p s o f a I n 一 l n [ s i n h a a ] a n d b l n [ s i n h a a ] ． 7 r 将变形激活能 Q 代入式 5 求出 z值，绘制 Z ． 1 n [ s i n h a a ] 的关系曲线如图 6所示，其线性相关系数 高达 9 8 ． 2 ％，因此可用双曲正弦函数关系模型描述粉 末冶金纯钛的热变形行为 。根据 图 6中的拟合特征 ， 可得到修正后的 ”值和 l n A值，将计算所得的各参数 值代入式 1 ，可得到粉 末冶金纯钛 的 A r r h e n i u s流变 一 应力本构方程为 8 e 2 7 ．9 8 [ s i n h 0 ． 0 0 8 c r ] 1 0 ． 1 8 e x p [ - 2 2 1 ． 2 3 ／ R 8 2 ． 4 粉 末冶金纯钛 的热加 工图 P R AS AD等[ “ 】 在结合了塑性变形连续介质力学、 物理系统模拟和不可逆热力学等理论 的基础上 ，建立 了动态材料模型 D MM 。该模型反映材料在各种变形 温度和应变速率下材料高温变形时内部微观组织的变 化，并且可对材料的可加工性进行评估。 根据动态材料模型的耗散结构理论，输入系统的 能量 P 可分为两部分，耗散量 G 和耗散协量∽ ，其 图 6 l n Z - l n [ s i n h a a ] 关系 F i g ． 6 R e l a t i o n s h i p b e t we e n l n Z a n d l n [ s i n h a a 】 数学定义为 P G c r kot l o - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 4 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 5 年 8月 [ 3 ] 杨广宇，刘 咏，王岩，等． n A1 一 N b W 合金 的高温变形行 为．粉末冶金材料科学与工程， 2 0 1 3 ， 1 8 3 3 5 7 3 6 2 ． Y ANG Gu a n g - y u， LI U Yo n g ， W ANG Ya n， e t a 1 ． Ho t d e f o r ma t i o n b e h a v i o r o f T i A1 一 Nb - W a l l o y[ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g o f P o wd e r Me t a l l u r g y , 2 0 1 3 ， l 8 3 3 5 7 3 6 2 ． 【 4 ] MOT Y KA M， KUB I AK K， S I E NI A W S KI J ． P h a s e t r an,； f o r ma t i o n s a n d c h a r a c t e ri z a t i o n o f 6 [ t i t a n i u m a l l o y s[ J ] ． Ma t e r i a l s Mo d e l i n g and C h a r a c t e r i z a t i o n ， 2 0 1 4 2 7 - 3 6 ． [ 5 ] F R OE S F H． P o wd e r me t a l l u r g y o f t i t a n i u m a l l o y s [ J ] ． Ad v anc e s i n Po wd e r me t a l l u r g y , 2 01 3 2 0 2 2 4 0． 【 6 】 J AR OS L A V M， F R ANT I S E K H， J AR OS L A V V He a t t r e a t me n t a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p o wd e r me t a l l u r g y p r o c e s s e d T i 一 3 5 ． 5 Nb 一 5 ． 7 T a b e t a t i t a n i u m a l l o y[ J ] _ Ma t e r i a l s C h a r a c t e r i z a t i o n ， 2 01 3 ， 8 4 2 25 2 31 ． [ 7 】 韦 伟 峰．低 成本 粉末 冶 金钛 合金 的研 究[ D] ．长沙 中南大 学，2 0 0 3 2 -6 ． W EI W e i - f e n g ． Re s e a r c h o f l o w c o s t p o wd e r me t a l l u r g y t i t a n i u m a l l o y s[ D] ． Ch a n g s h a Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , 2 0 0 3 2 - 6 ． [ 8 ] 王琪，钱锋 ，易丹青 ． 粉末冶金 T A1 5钛 合金高温 塑性 变 形加工 图．稀有金属材料与工程， 2 0 1 3 ， 4 2 9 1 8 5 4 1 8 5 8 WA NG Q i，QI AN F e n g ，YI D a n q i n g ．P r o c e s s i n g Ma p 0 f Po wde r M e t a l l u r g y T A 1 5 Ti t an i u m Al l o y f o r Hi g h T e mp e r a t u r e P l a s t i c De f o rm a t i o n[ J 】 _ Ra r e Me t a l Ma t e r i a l s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 3 ， 4 2 9 1 8 5 4 1 8 5 8 ． [ 9 】 P OI RI E R J P ． P l a s t i c De f o r ma t i o n o f t h e S o l i d C r y s t a l a t Hi g h T e mp e r a t u r e[ MI ． Da l i a n Da l i an Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y P r e s s ， l 98 9 1 2 3 ． [ 1 O ] 吴引江，段庆文，周廉，等．汽车用低成本钛合金及 其制品 的研 究进展[ J ] ．新材料产业， 2 0 0 3 ， 2 1 1 1 1 卜 1 5 ． wU Y i n q i a n g ， DUA N Qi n g we n ， Z HOU L i a n ， e t a 1 ． Re s e arc h a n d d e v e l o p me n t o f l o w c o s t t i t an i u m a l l o y s a n d p r od u c t s i n a u t o i n d u s t r y[ J ] ． A d v a n c e d Ma t e ria l s I n d u s t r y , 2 0 0 3 ， 2 1 1 1 1 卜1 5 ． [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] RADOS LAW L，J ERZY B．Ho t d e f o r m a t i o n a nd p r o c e s s i n g ma p s o f a F e A1 i n t e rm e t a l l i c a l l o y [ J ] ． Ma t e ri a l s Ch a r a c t e riz a t i o n ， 2 0 1 4， 9 6 1 9 6 2 0 5． 郝世 明，谢敬佩．3 0 ％S I C ／ 2 0 2 4 A1复合材料 的热变形行为及 加工图[ J ] ． 粉末冶金材料科学与工程， 2 0 1 4 ， l 9 1 1 7 ． HAO S h i mi n g ，XI E J i n g pe i ．Ho t d e f o r ma t i o n b e h a vi o r a n d p r o c e s s i n g ma p o f 3 0 ％S i C P ／ 2 0 2 4 A1 c o mp o s i t e[ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g o f P o w d e r Me t a l l u r g y , 2 0 1 4 ，l 9 1 1 7 ． LI J i a n - bo ，LI U Yo n g ，WANG Ya n ．Co ns t i t u t i v e e q u a t i o n an d p r o c e s s i ng ma p f o r h o t c o mp r e s s e d a s -c a s t Ti -4 3 A1 -- 4 Nb - 1 ．4 W- 0 ． 6 B a l l o y『 J ] ． T r a n s a c t i o n s o f No n f e r r o u s Me t a l s S o c i e ty o f C h i n a ， 2 0 1 3 ， 2 3 1 1 3 3 8 3 3 3 9 1 ． 赵锡 龙，乔及森，陈剑虹．6 0 6 1铝合金热变形行为 的研究[ J 1 ． 材料 热处理技术， 2 0 0 9 ， 1 1 0 -1 2 ． Z HAO Xi l o n g ， QI AO J i - s e n ， C HE N l i a n - h o n g ． Ho t c o mp r e s s i o n b e h a v i o r o f 6 0 6 1 a l u mi n u m a l l o y[ J ] ． Ma t e ri a l a n d He a t Tr e a t me n t ， 2 0 0 9 ，1 1 0 1 2 ． Z HANG Zh e n d o n g， ZHOU Ha i t a o ，L I U Xi an g h ua ，e t a 1 ．Ho t d e f o rm a t i o n b e ha v i o r a n d p r o c e s s i n g ma p s for c o i l e d tubi n g s t e e l[ J J ．Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A，2 0 1 3 ，5 6 5 2 1 3 - 21 8． ZENER C．HOLL OM ON J H．Ef f e c t o f s t r a i n r a t e u p o n t h e p l a s t i c fl o w o f s t e e l [ J ] l J A p p l P h y s ， 1 9 4 4 ， 1 5 1 2 2 2 7 ． P RAS AD Y V R K，SAS TRY D H，DEEVI S C Pr o c e s s i n g ma p s for h o t wo r k i n g o f a P ／ M i r o n a l u mi n i d e a l l o y [ J ] ． I n t e rm e t a l l i c s ， 2 0 0 0 ， 1 l 8 1 0 6 7 1 0 7 4 ． P RASADY V R K ． Re c e n t a d v a n c e i n t h e s c i e n c e of m e c h a ni c a l p r o c e s s i n g [ J ] ．I n d i a n J o u rna l o f T e c h n o l o g y ,1 9 9 0 ，2 8 8 4 3 5 - 45 1 ． 编辑高海燕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m