资源描述：
ＴＣ１８ 钛合金双圆锥台试样热变形有限元模拟研究 ① 毛 颖１， 雷 雨２， 丁 旭１， 张晓泳３， 汪冰峰１，３， 樊 凯４， 冯抗屯５， 谢 静６， 王海鹏７， 雷家峰８ （１．中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 ４１００８３； ２．中铝洛阳铜业有限公司，河南 洛阳 ４７１０３９； ３．中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南 长 沙 ４１００８３； ４．湖南金天钛业科技有限公司，湖南 常德 ４１３０００； ５．中航飞机起落架有限公司，湖南 长沙 ４１０２００； ６．中国第二重型机械集团德阳万航模 锻有限责任公司，四川 德阳 ６１８０００； ７．西安三角防务有限公司，陕西 西安 ７１００８９； ８．中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 １１００１６） 摘 要 以新型高强韧 ＴＣ１８ 钛合金为例，研究了双圆锥台试样热变形规律。 基于热模拟试验，获得 ＴＣ１８ 钛合金的高温流变行为， 采用 Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ 双曲正弦函数建立 ＴＣ１８ 钛合金的本构方程。 对双圆锥台试样热变形进行有限元模拟，获得了压缩后变形试样纵向 截面的应变梯度分布。 对比双圆锥台试样不同应变区域与相同变形条件下 ＧＬＥＥＢＬＥ 热模拟试样的 α 相平均晶粒尺寸，结果表明 一个双圆锥台试样上可以快速获取多个不同应变条件的热变形组织。 关键词 钛合金； ＴＣ１８； 双圆锥台； 热变形； 应变梯度分布； 有限元模拟 中图分类号 ＴＧ１４６文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０２０．０５．０３２ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０２０）０５-０１２８-０６ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＣ１８ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｏｎ ａ Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｏｎｅ ＭＡＯ Ｙｉｎｇ１， ＬＥＩ Ｙｕ２， ＤＩＮＧ Ｘｕ１， ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ⁃ｙｏｎｇ３， ＷＡＮＧ Ｂｉｎｇ⁃ｆｅｎｇ１，３， ＦＡＮ Ｋａｉ４， ＦＥＮＧ Ｋａｎｇ⁃ｔｕｎ５， ＸＩＥ Ｊｉｎｇ６， ＷＡＮＧ Ｈａｉ⁃ｐｅｎｇ７， ＬＥＩ Ｊｉａ⁃ｆｅｎｇ８ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｉｎａｌｃｏ Ｌｕｏｙａｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０３９， Ｈｅｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ４．Ｈｕｎａｎ Ｇｏｌｄ Ｓｋｙ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｄｅ ４１３０００， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ５．ＡＶＩＣ Ｌａｎｄｉｎｇ Ｇｅａｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｒｐ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０２００， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ６．Ｃｈｉｎａ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｒｚｈｏｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｄｅｙａｎｇ Ｗａｎｈａｎｇ Ｄｉｅ Ｆｏｒｇｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｄｅｙａｎｇ ６１８０００， Ｓｉｃｈｕａｎ， Ｃｈｉｎａ； ７．Ｘｉ′ａｎ Ｔｒｉａｎｇｌｅ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｘｉ′ａｎ ７１００８９， Ｓｈａａｎｘｉ， Ｃｈｉｎａ； ８．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６， Ｌｉａｏｎｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ＴＣ１８ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ａ ｓａｍｐｌｅ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｏｎ ａ ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｅ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ， ｔｈｅ ｈｉｇｈ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ＴＣ１８ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ， ａｎｄ ａ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ＴＣ１８ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ⁃ｓｉｎｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ⁃ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｔ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍｅｄ ｓａｍｐｌｅ ａｆｔｅｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｎ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｏｆ α⁃ｐｈａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒａｉｎ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ＧＬＥＥＢＬＥ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ， ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒａｉｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｑｕｉｃｋｌｙ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ； ＴＣ１８； ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｎｅ； ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ； ｓｔｒａｉｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＴＣ１８ 钛合金是一种高强韧近 β 型钛合金，具有强 度高、塑韧性好以及耐高温、耐腐蚀等优点，被广泛用 于航天航空和海洋军事等领域［１-３］。 该合金由前苏联 航空材料所研制，是退火状态下强度最高的钛合金。 近年来，随着高通量设计概念的提出，不少学者基 于这一概念提出了各种试验设计方法，双圆锥台试样 ①收稿日期 ２０２０-０４-２２ 基金项目 粉末冶金国家重点实验室自主课题（６２１０２１７２１）；湖南省创新科技项目（２０１７ＧＫ２２９２）；国家自然科学基金面上项目（５１７７１２３１） 作者简介 毛 颖（１９９７-），女，湖北荆门人，硕士研究生，主要研究方向为钛合金高通量变形技术与微观结构。 通讯作者 汪冰峰（１９７８-），男，湖南岳阳人，副教授，博士，主要从事材料动态行为研究工作。 第 ４０ 卷第 ５ 期 ２０２０ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０２０ 变形技术是当前材料高通量测试的热点技术，也是一 种快速获取材料变形参数的很有前途的试验方法。 Ｔａｎ 等人［４］设计了一种高温镍基合金的双圆锥台试 样，通过有限元模拟获得试样梯度应变分布，并探讨了 不同应变状态下合金的组织情况和热力学行为。 本文 选用 ＴＣ１８ 合金高强韧钛合金为研究对象，采用高通 量双圆锥台试样设计这一理念，通过圆柱形和双圆锥 台两种形状试样的热压缩试验，对比验证双圆锥台试 样热变形试验可行性，并试图在解决热变形过程中变 形参数与组织演变关系的同时减少试验次数，提高试 验效率。 １ 试验材料与过程 试验材料为热锻 ＴＣ１８ 钛合金，其名义成分为 Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ，合金相变点在 ８７０ ℃左右［５-６］。 热模拟压缩试验的试样为 Φ８ ｍｍ １２ ｍｍ 的圆 柱试样，压缩试验在 Ｇｌｅｅｂｌｅ３８００ 热模拟试验机上进 行。 将试样加热到目标温度保温 ３ ｍｉｎ，随后以一定的 应变速率将试样压缩至设定变形量。 变形温度分别为 ７９０，８２０，８５０，８８０ 和 ９００ ℃，应变速率为 ０．０１，０．１，１．０ 和 １０ ｓ -１ ，设定应变分别为 ０．２，０．３ 和 ０．４。 压缩后，水 冷淬火保留原始金相组织。 淬火后试样沿压缩方向线 切割，经研磨、抛光和 Ｋｒｏｌｌ 试剂（２ ｍＬ ＨＦ＋４ ｍＬ ＨＮＯ３ ＋１００ ｍＬ Ｈ２Ｏ）腐蚀，在光学显微镜下观察微观组织并 采用 ＮａｎｏＭｅａｓｕｒｅｒ 软件测量其中 α 相晶粒尺寸。 双圆锥台试样热压缩试验的试样加工尺寸及外形 如图 １ 所示，压缩试验在 ＭＴＳ ３２２Ｔ 型工作台试验机 上进行。 将双圆锥台试样加热到目标温度保温 １５ ｍｉｎ， 随后以一定的应变速率将试样压缩至设定变形量。 目 标温度为 ８８０ ℃，应变速率为 ０．０１ ｓ -１ ，设定变形量为 ８ ｍｍ。 压缩后，水冷淬火。 沿压缩方向切开，随后进 行镶嵌、金相砂纸打磨、抛光和腐蚀，腐蚀液配比为 ５ ｍＬ ＨＦ＋１０ ｍＬ ＨＮＯ３＋８５ ｍＬ Ｈ２Ｏ，在光学显微镜下 观察不同区域的微观组织并采用 ＮａｎｏＭｅａｓｕｒｅｒ 软件 测量其中 α 相晶粒尺寸。 图 １ 双圆锥台试样加工尺寸及外形图 （ａ） 加工尺寸； （ｂ） 试样外形 ２ 试验结果与讨论 ２．１ 建立 ＴＣ１８ 钛合金的本构方程 在不同变形条件下，ＴＣ１８ 钛合金经热模拟压缩试 验所得的真应力⁃真应变曲线如图 ２ 所示。 可见真应 力⁃真应变曲线存在明显峰值应力，试样在热压缩过程 中发生了动态再结晶［７-１０］。 真应变 -400 -300 -200 -100 0 -0.10.0-0.2-0.3-0.4-0.5 真应力/ MPa 真应变 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 -0.10.0-0.2-0.3-0.4-0.5 真应力/ MPa 真应变 -180 -150 -120 -90 -60 -30 0 -0.10.0-0.2-0.3-0.4-0.5 真应力/ MPa 真应变 -100 -80 -60 -40 -20 0 -0.10.0-0.2-0.3-0.4-0.5 真应力/ MPa 790 ℃ 820 ℃ 850 ℃ 880 ℃ 900 ℃ ● ● ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ 790 ℃ 820 ℃ 850 ℃ 880 ℃ 900 ℃ ● ■ ▲ ▲ ◆ ◆ ● ■ ▲ ▲ ◆ a b 790 ℃ 820 ℃ 850 ℃ 880 ℃ 900 ℃ ● ● ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ● ■ ▲ ▲ ◆ c 790 ℃ 820 ℃ 850 ℃ 880 ℃ 900 ℃ ● ■ ▲ ▲ ◆ d 图 ２ 不同变形条件下 ＴＣ１８ 钛合金的真应力⁃真应变曲线 （ａ） ̇ ε＝０．０１ ｓ -１ ； （ｂ） ̇ ε＝０．１ ｓ -１ ； （ｃ） ̇ ε＝１．０ ｓ -１ ； （ｄ） ̇ ε＝１０ ｓ -１ ９２１第 ５ 期毛 颖等 ＴＣ１８ 钛合金双圆锥台试样热变形有限元模拟研究 采用文献［１１］基于指数型本构关系 ̇ ε＝Ａ１σｎ１和幂 指数型本构关系 ̇ ε＝Ａ２ｅｘｐ（βσ）提出的 Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ 双曲 正弦函数来建立 ＴＣ１８ 钛合金的本构方程 ̇ ε ＝ Ａ ［ｓｉｎｈ（ασ）］ ｎｅｘｐ［ - Ｑ／ （ＲＴ）］ （１） 式中 ̇ ε 为应变速率，ｓ -１ ；Ｑ 为变形激活能，Ｊ／ ｍｏｌ；σ 为 流变应力，ＭＰａ；Ｔ 为绝对温度，Ｋ；Ｒ 为摩尔气体常数， Ｒ＝８．３１４ Ｊ／ （ｍｏｌＫ）；Ａ、Ａ１、Ａ２、ｎ、ｎ１、α 和 β 均为与材 料有关的常数。 分别对 ｌｎ ̇ ε⁃ｌｎσ 和 ｌｎ ̇ ε⁃σ 进行一元线性回归处理， 拟合结果见图 ３。 可得 ｎ１＝５．１９１ ９４，β＝０．０３３ ０８ ＭＰａ -１ ， 因此 α＝β／ ｎ１＝０．００６３７１ ＭＰａ -１ 。 lnσ/MPa 3 0 -3 -6 4.03.54.55.05.56.0 lnε/s-1 . 790 ℃ 820 ℃ 850 ℃ 880 ℃ 900 ℃ ● ■ ▲ ▲ ◆ ● ● ●■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ●■ ■ ▲ ▲ ◆ σ/MPa 3 0 -3 -6 1000200300400 lnε/s-1 . 790 ℃ 820 ℃ 850 ℃ 880 ℃ 900 ℃ ● ■ ▲ ▲ ◆ ● ● ● ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ●■ ■ ▲ ▲ ◆ a b 图３ 流变应力与应变速率的关系 （ａ） ｌｎ̇ ε⁃ｌｎσ； （ｂ） ｌｎ̇ ε⁃σ 作出 ｌｎ̇ ε⁃ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］和 ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］⁃Ｔ -１ 的线 性回归曲线如图 ４ 所示。 分别取两条曲线斜率的平均 值，算得变形激活能Ｑ＝３０３．３６６ ９ ｋＪ／ ｍｏｌ。 根据文献［１２］，材料在高温下发生塑性变形时应 变速率与温度之间的关系可用参数 Ｚ 表示 Ｚ ＝ ̇ εｅｘｐ Ｑ ＲＴ ＝ Ａ［ｓｉｎｈ（ασ）］ ｎ （２） 式中 Ｚ 为温度补偿应变速率因子。 对 ｌｎＺ⁃ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］ 进行一元线性回归处理，如图 ５ 所示。 得到 ｎ＝３．７６７ ８１ 和 Ａ＝３．０５５ ９９１０１３。 将上述求得的 Ａ，α，ｎ 和 Ｑ 代入 Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ 函数模 型，得到 ＴＣ１８ 钛合金热压缩变形时的本构方程为 ̇ ε ＝ ３．０５６ １０１３ ［ｓｉｎｈ（６．３７１ １０ -３ ）］３．７６８ ｅｘｐ［ - ３０３．３６７ １０３／ （ＲＴ）］ （３） ln[sinhασ] 3 0 -3 -6 -1.50.00.51.0-1.0-0.51.52.0 lnε/s-1 . 790 ℃ 820 ℃ 850 ℃ 880 ℃ 900 ℃ ● ■ ▲ ▲ ◆ ● ● ● ■ ■▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ●■ ■ ▲ ▲ ◆ T -1/10-3 K-1 2.0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 0.840.860.880.900.920.94 ln[sinhασ] 0.01 s-1 0.1 s-1 1.0 s-1 10 s-1 ● ■ ▲ ▲ ● ● ● ● ● ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ■ ■ ■ ■ ■ a b 图 ４ 流变应力与应变速率、温度的关系 （ａ） ｌｎ̇ ε⁃ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］； （ｂ） ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］⁃Ｔ -１ ln[sinhασ] 38 36 34 32 30 28 26 -1.51.51.00.50.0-0.5-1.02.0 lnZ ■ ■ ■ ■■ ■■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 图 ５ ｌｎＺ⁃ｌｎ［ｓｉｎｈ（ασ）］拟合直线 ２．２ ＴＣ１８ 钛合金双圆锥台试样热压缩试验有限元模拟 将热模拟压缩试验所得本构方程导入有限元前处 理过程［１３-１４］，通过 Ｄｅｆｏｒｍ ３Ｄ 有限元模拟计算，得到温 度 ８８０ ℃、应变速率 ０．０１ ｓ -１ 热压缩条件下试样截面的 等效应变云图如图 ６ 所示。 试样中心与试样端面应变 量存在一定的梯度，从中心部位到边缘应变量逐渐降 低，热压缩后试样心部到边缘的应变值与其相对位置 的关系曲线如图 ７ 所示。 图 ８ 为 ８８０ ℃、０．０１ ｓ -１ 条件下试验与 Ｄｅｆｏｒｍ 模拟 所得力⁃位移曲线对比图。 可见模拟值与试验值的最 ０３１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 大误差约为 １２．５％，平均误差在 １０％以内。 图 ６ 等效应变云图 心部至边缘距离/mm ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 4081216 真应变 图 ７ 双圆锥台试样截面水平轴线上应变分布曲线 位移/mm ■ -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -20-4-6-8 力/kN ● 模拟曲线 试验曲线 ■ ● 图 ８ ８８０ ℃、０．０１ ｓ -１ 下力⁃位移曲线试验与有限元模拟对比 图 ９ 为 ＴＣ１８ 在温度 ８８０ ℃、应变速率 ０．０１ ｓ -１ 条 件下热压缩至不同应变的金相图。 由图可知，不同应 变程度下，试样中 α 相含量不同，ＴＣ１８ 钛合金在热压 缩过程中发生了相变。 图 １０ 为双圆锥台试样纵截面选取的金相观察区 域，图 １１ 为双圆锥台形 ＴＣ１８ 试样在 ８８０ ℃、０．０１ ｓ -１ 压缩条件下试样截面不同区域的金相组织图，其中 （ａ） ～（ｅ）分别对应图 １０ 中的相应区域（下同）。 由图 可知，从边缘到心部随着应变量增加，α 相含量不同。 压缩过程中，β 相发生了明显的动态再结晶现象。 采用 ＮａｎｏＭｅａｓｕｒｅｒ 软件测量图 ９ 和图 １１ 金相组 织中 α 相晶粒尺寸，并使用 Ｏｒｉｇｉｎ２０１７ 软件绘制得到 相应 α 相晶粒尺寸统计图，如图 １２～１３ 所示。 图 ９ ８８０ ℃、０．０１ ｓ -１ 不同应变下热模拟金相组织 （ａ） ε＝０．２； （ｂ） ε＝０．３； （ｃ） ε＝０．４ 图 １０ 双圆锥台试样纵截面金相观察区域 图 １１ ８８０ ℃、０．０１ ｓ -１ 热压缩双圆锥台试样截面不同区域金相 １３１第 ５ 期毛 颖等 ＴＣ１８ 钛合金双圆锥台试样热变形有限元模拟研究 晶粒尺寸/μm 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.01.02.03.04.0 比例 a 晶粒尺寸/μm 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.01.02.03.04.0 比例 b 晶粒尺寸/μm 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.01.02.03.04.0 比例 c 图 １２ ８８０ ℃、０．０１ ｓ -１ 不同应变下热模拟组织中α相晶粒尺 寸统计图 （ａ） ε＝０．２； （ｂ） ε＝０．３； （ｃ） ε＝０．４ 由图 １２～１３ 可知，圆柱形试样热模拟压缩后，在 ε＝０．４，０．３ 和 ０．２ 应变下分别对应的 α 相平均晶粒尺 寸约为 ２．５２，２．３６ 和１．８９ μｍ。 双圆锥台试样热压缩 后，截面（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）对应的 α 相平均晶粒 尺寸约为 ２．６５，２．６７，２．２０，２．０２ 和 １．７０ μｍ。 对比可 知，ε＝０．４ 时圆柱形试样热压缩组织与双圆锥台试样 截面区域（ａ）、（ｂ）的组织较为相似，区域（ａ）、（ｂ）模 拟对应的应变范围为 ０．４２～０．７５。 ε＝ ０．３ 时圆柱形试 样热压缩组织与双圆锥台试样截面区域（ｃ）的组织较 为相似，区域（ｃ）模拟对应的应变范围为 ０．２４～０．３５。 ε＝０．２ 时圆柱形试样热压缩组织与双圆锥台试样区域 （ｄ）、（ｅ）的组织较为相似，区域（ｄ）、（ｅ）模拟对应的 应变范围为 ０．０７～０．１８。 总的来说，双圆锥台试样热 压缩试验的组织结果与相同变形条件下的圆柱形热模 拟试样组织结果较为一致。 晶粒尺寸/μm 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.01.02.03.04.0 比例 a 晶粒尺寸/μm 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.01.02.03.04.0 比例 b 晶粒尺寸/μm 0.45 0.30 0.15 0.00 0.01.02.03.04.0 比例 c 晶粒尺寸/μm 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.01.02.03.04.0 比例 d 晶粒尺寸/μm 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.01.02.03.04.0 比例 e 图 １３ ８８０ ℃、０．０１ ｓ -１ 热压缩双圆锥台试样截面不同区域α相 晶粒尺寸统计图 ２３１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 ３ 结 论 １） 通过热模拟压缩试验获得了 ＴＣ１８ 钛合金在 ７９０～９００ ℃下的真应力⁃真应变曲线。 曲线有明显峰 值应力，试样在热压缩过程中发生了动态再结晶，采用 Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ 函数模型建立了 ＴＣ１８ 钛合金的热变形本构 方程。 ２） 在 ８８０ ℃、̇ ε＝０．０１ ｓ -１ 变形条件下，有限元模拟 得到双圆锥台试样截面应变呈梯度分布。 ３） 双圆锥台试样不同应变区域 α 相晶粒尺寸与 相同应变条件下圆柱形热模拟试样 α 相晶粒尺寸较 为一致，说明双圆锥台试样热变形有限元模拟所得应 变分布结果较为准确，一个双圆锥台试样上可以快速 获取多个不同应变条件的热变形组织。 参考文献 ［１］ 莱茵斯皮特尔斯． 钛与钛合金［Ｍ］． 陈振华，译． 北京化学工 业出版社， ２００５． ［２］ Ｌｉｎ Ｙ Ｃ， Ｈｕａｎｇ Ｊ， Ｈｅ Ｄ Ｇ， ｅｔ ａｌ． Ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｉｎ ａ Ｔｉ５５５１１ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｄｕｒｉｎｇ ｈｏｔ ｃｏｍ⁃ ｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ， ２０１９，７９５４７１-４８２． ［３］ Ｚｈｅｒｅｂｔｓｏｖ Ｓ Ｖ， Ｍｕｒｚｉｎｏｖａ Ｍ Ａ， Ｋｌｉｍｏｖａ Ｍ Ｖ， ｅｔ ａｌ． Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅ⁃ ｖｏｌｕｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｗａｒｍ ｗｏｒｋｉｎｇ ｏｆ Ｔｉ⁃５Ａｌ⁃５Ｍｏ⁃５Ｖ⁃１Ｃｒ⁃１Ｆｅ ａｔ ６００ ａｎｄ ８００ ℃［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ， ２０１３，５６３１６８-１７６． ［４］ Ｔａｎ Ｌ Ｍ， Ｈｕａｎｇ Ｚ Ｗ， Ｌｉｕ Ｆ， ｅｔ ａｌ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ａｍｏｕｎｔ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｏｎ ｇｒａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ｈｉｇｈ Ｃｏ ｎｉｃｋｅｌ⁃ｂａｓｅｄ ｐｏｌｙｃｒｙｓ⁃ ｔａｌｌｉｎｅ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｄｅｓｉｇｎ， ２０１７，１３１６０-６８． ［５］ 刘岚逸，汪冰峰，张晓泳． ＴＣ１８ 钛合金中剪切局域化及其微观结 构研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１８，３８（４）１４９-１５１． ［６］ Ｌｕｏ Ｊ， Ｗａｎｇ Ｌ Ｆ， Ｌｉｕ Ｓ Ｆ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｈｏｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｏｆ ＴＣ１８ ａｌｌｏｙ［Ｊ］． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ， ２０１６，６５４２１３-２２０． ［７］ 尹 勇，谭 真，肖振宇． 微量 Ｃａ、Ｙ 元素对 ＡＺ９１ 镁合金动态再 结晶及力学性能的影响［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１９，３９（１）１１４-１１７． ［８］ 郭俊成，肖振宇，杨续跃． 两步锻压提升铸态 ＡＺ８０ 镁合金延伸率 的研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１８，３８（４）１４４-１４８． ［９］ Ｓａｋａｉ Ｔ， Ｂｅｌｙａｋｏｖ Ａ， Ｋａｉｂｙｓｈｅｖ Ｒ， ｅｔ ａｌ． Ｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｐｏｓｔ⁃ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｈｏｔ， ｃｏｌｄ ａｎｄ ｓｅｖｅｒｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉ⁃ ｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２０１４，６０（１）１３０-２０７． ［１０］ Ｊｉａ Ｂ Ｈ， Ｓｏｎｇ Ｗ Ｄ， Ｔａｎｇ Ｈ Ｐ， ｅｔ ａｌ． Ｈｏｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＴＣ１８ ａｌｌｏｙ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ［Ｊ］． Ｒａｒｅ Ｍｅｔ⁃ ａｌｓ， ２０１４，３３（４）３８３-３８９． ［１１］ Ｓｅｌｌａｒｓ Ｃ Ｍ， Ｍｃｔｅｇａｒｔ Ｗ Ｊ． Ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｈｏｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ａｃｔａ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ， １９６６，１４（９）１１３６-１１３８． ［１２］ Ｚｅｎｅｒ Ｃ， Ｈｏｌｌｏｍｏｎ Ｊ Ｈ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｕｐｏｎ ｐｌａｓｔｉｃ ｆｌｏｗ ｏｆ ｓｔｅｅｌ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， １９４４，１５（１）２２-３２． ［１３］ 彭柳锋，郭道强，魏玉勇，等． ２Ａ１２ 铝合金锻件成形的有限元模 拟［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１７，３７（５）９９-１０４． ［１４］ 张 莉，李升军． ＤＥＦＯＲＭ 在金属塑性成形中的应用［Ｍ］． 北 京机械工业出版社， ２００９． 引用本文 毛 颖，雷 雨，丁 旭，等． ＴＣ１８ 钛合金双圆锥台试样热变 形有限元模拟研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（５）１２８-１３３． （上接第 １２３ 页） ［８］ Ｌｖ Ｋ， Ｌｉ Ｊ， Ｑｉｎｇ Ｘ， ｅｔ ａｌ． Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏ⁃ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａ⁃ ｔｉｏｎ ｏｆ ＷＯ３／ ＴｉＯ２ｈｏｌｌｏｗ ｓｐｈｅｒｅｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２０１１，１８９（１-２）３２９-３３５． ［９］ 曾爱香，熊惟浩，王采芳，等． 溶胶⁃凝胶法制备空心微珠表面钡铁 氧体包覆层的研究［Ｊ］． 材料保护， ２００４，３７（９）１９-２０． ［１０］ 张 姣，江学良，余 露，等． 水热法制备二氧化铈纳米空心球及 其吸附性能研究［Ｊ］． 材料研究学报， ２０１６，３０（５）３６５-３７１． ［１１］ 黄 彬，江 奇，谢德钰，等． 模板法制备聚苯胺空心微球材料及 其电化学性能［Ｊ］． 功能材料， ２０１１，４２（１）１４４-１４７． ［１２］ 张 珂，汪太生，李自力，等． 细乳液聚合法制备聚合物空心球［Ｊ］． 高分子学报， ２０１８（４）４７５-４８１． ［１３］ 叶敏伟． 新型粉末喷涂装备［Ｊ］． 电镀与涂饰， ２０１１，３０（１０）７３-７５． ［１４］ 吴子健． 热喷涂技术与应用［Ｍ］． 北京 机械工业出版社， ２００６． 引用本文 张胜全，何亮亮，王 胜，等． 铜渣尾矿制备空心陶瓷微球及 其表征［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（５）１２０-１２３． （上接第 １２７ 页） ［１４］ Ｆｅｈｉｒ Ｊ， Ｒｉｃｈａｒｄ Ｊ． Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ ａｎｄ ｃｈａｒｇｅ ｄｅｎｓｉ⁃ ｔｙ ｉｎ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ ｐｈｅｎｏｘｙ ｒａｄｉｃａｌｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ａ， ２００９，１１３（３２）９２４９-９２６０． ［１５］ Ｖｏｇｔ Ｐ， Ｐａｄｏｖａ Ｐ Ｄ， Ｑｕａｒｅｓｉｍａ Ｃ， ｅｔ ａｌ． Ｓｉｌｉｃｅｎｅ ｃｏｍｐｅｌｌｉｎｇ ｅｘ⁃ ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｆｏｒ ｇｒａｐｈｅｎｅｌｉｋｅ ｔｗｏ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ［Ｊ］． Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２０１２，１０８（１５）１５５５０１． ［１６］ Ｍｉｚｏｇｕｃｈｉ Ｈ， Ｏｋｕｎａｋａ Ｍ， Ｋｉｔａｎｏ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｈｙｄｒｉｄｅ⁃ｂａｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ， ＬｎＨ２（ Ｌｎ ＝ Ｌａ， Ｃｅ， ｏｒ Ｙ） ［ Ｊ］． Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ２０１６，５５（１７）８８３３-８８３８． 引用本文 台俊杰，肖 璇． 桥位吸附硼原子硅烯的结构与电子性质［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（５）１２４-１２７． ３３１第 ５ 期毛 颖等 ＴＣ１８ 钛合金双圆锥台试样热变形有限元模拟研究
展开阅读全文
