趙志龍，徐 強(qiáng)，萬文璐，丁 睿

（寧波工程學(xué)院國(guó)際交流學(xué)院，浙江 寧波 315211）

引言

鈦合金優(yōu)點(diǎn)突出，是工業(yè)中常用的金屬材料之一，常常被人們稱為“未來金屬”[1-2]。目前，有二三十種鈦合金被應(yīng)用在工業(yè)和生產(chǎn)中，常見的有：Ti6Al4V、Ti6Al4VELI、Ti32Mo、Ti1053、BT20、IMI834等。Ti6Al4V的使用量最大，占了所有鈦合金的60%~70%左右。Ti6Al4V在我國(guó)也被稱為TC4，具有良好的綜合性能，其成形性和焊接性都較好[3]。鈦合金不僅性能優(yōu)良，而且密度小，用于航天航空、車輛等產(chǎn)品上能夠降低產(chǎn)品重量、節(jié)省能耗。

楔橫軋加工成形技術(shù)是近凈成形軸類零件的方式之一，相比傳統(tǒng)的機(jī)加工和鍛造加工具有更高的生產(chǎn)效率和更低的加工成本，材料的利用率也大大提高了[4-6]。鈦合金軸類件楔橫軋加工的工藝參數(shù)對(duì)微觀組織影響決定了零件的微觀質(zhì)量和使用性能，因此對(duì)其微觀組織進(jìn)行探究是非常必要的。

1 TC4鈦合金本構(gòu)方程與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶方程

1.1 TC4鈦合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶方程

TC4鈦合金存中存在β單相區(qū)和α+β雙相區(qū)，本文根據(jù)文獻(xiàn)[7]建立了兩種相區(qū)的本構(gòu)方程，具體參數(shù)如下：

α+β兩相區(qū)：

β單相區(qū)：

1.2 TC4鈦合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶方程

本文應(yīng)用了DEFORM-3D有限元軟件Avrami模型中材料的本構(gòu)模型，分別建立了TC4鈦合金兩種相區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模型[7]。

α+β兩相區(qū)：

β單相區(qū)：

式中：εc為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變；εp為流變應(yīng)力曲線的峰值應(yīng)力，MPa；為塑性應(yīng)變速率（s-1）；Xdrex為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶影響系數(shù)；ε為真應(yīng)變；ε0.5為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)的應(yīng)變；ddrex為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸，μm；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314 J/mol·K；T絕對(duì)溫度，K。

2 α+β相區(qū)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模擬分析

2.1 α+β相區(qū)模擬工藝參數(shù)

通過調(diào)整初始加熱溫度、軋制速度和斷面收縮率，在DEFORM-3D軟件中模擬探究各工藝參數(shù)下動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的演變規(guī)律。工序參數(shù)下頁(yè)如表1所示。

表1 α+β相區(qū)模擬工藝參數(shù)表

2.2 α+β兩相區(qū)軋制溫度的影響

圖1所示為不同初始溫度下，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果。初始溫度在850℃、900℃和950℃下，精整段的軋制區(qū)都產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。對(duì)比不同溫度下，軋件端部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶情況，可以發(fā)現(xiàn)隨著軋制溫度升高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)越高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越充分。

2.3 α+β相區(qū)軋制速度的影響

圖2所示為不同軋制速度下，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果。對(duì)比模擬結(jié)果可以看出，不同軋制速度下，精整段的軋制區(qū)都產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，但端部的中心動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不充分。對(duì)比不同軋制速度下軋件端部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶情況，可以發(fā)現(xiàn)隨著軋制速度的加快，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)越低，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越不充分。

2.4 α+β相區(qū)斷面收縮率的影響

圖3 所示為不同斷面收縮率下，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果。對(duì)比模擬結(jié)果可以看出，不同斷面收縮率下，精整段的軋制區(qū)都產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。軋件端部中心隨著斷面收縮率的增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)不斷增大。

3 β單相區(qū)軋制微觀組織分析

3.1 相區(qū)模擬工藝參數(shù)確定

在不同的初始溫度、軋制速度和斷面收縮率下，在β相區(qū)模擬探究晶粒尺寸的變化。β相區(qū)與α+β相區(qū)的微觀組織明顯不同，具有等軸β晶組織，因此在β單相區(qū)對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行模擬分析更有意義，具體工藝參數(shù)如表2所示。

表2 單相區(qū)模擬工藝參數(shù)表

3.2 β單相區(qū)軋制溫度的影響

下頁(yè)圖4所示為不同初始溫度下，平均晶粒尺寸模擬結(jié)果。在不同溫度下，軋制精整區(qū)的晶粒都比端部小，且隨著初始溫度的升高，晶粒的尺寸就越大。

3.3 β單相區(qū)軋制速度的影響

下頁(yè)圖5所示為不同軋制速度下，平均晶粒尺寸模擬結(jié)果。對(duì)比軋件精整段晶粒平均大小可以看出，隨著軋制速度的提高，軋件平均晶粒尺寸不斷減小。

3.4 β單相區(qū)斷面收縮率對(duì)晶粒尺寸的影響

圖6所示為不同斷面收縮率下，平均晶粒尺寸模擬結(jié)果。對(duì)比軋件精整段晶粒平均大小可以看出，隨著斷面收縮率的增大，軋件平均晶粒尺寸不斷減小。

4 軋制實(shí)驗(yàn)

本文通過對(duì)比α+β雙相區(qū)內(nèi)不同初始溫度下軋制實(shí)驗(yàn)與DEFORM-3D有限元模擬結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。對(duì)比軋制實(shí)驗(yàn)中不同溫度下金相圖發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，初生a從塊狀連接變?yōu)楠?dú)立的等軸狀晶粒，初生a含量也明顯減少，說明隨著軋制初始溫度的升高，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶越充分。軋制實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)論相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模擬結(jié)果的可靠性。軋件金相圖如圖7所示。

5 結(jié)論

1）在α+β雙相區(qū)內(nèi)，隨著初始軋制溫度的升高，能量增加，導(dǎo)致模擬結(jié)果顯示的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)越大；隨著軋制速度的加快，軋制時(shí)間縮短，導(dǎo)致模擬結(jié)果顯示的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)減??；隨著斷面收縮率的增大，材料形變?cè)黾?，?dǎo)致模擬結(jié)果顯示的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)增大。

2）在β單相區(qū)內(nèi)，隨著初始軋制溫度的升高，能量增加，促進(jìn)了模擬結(jié)果的晶粒尺寸相應(yīng)增大；隨著軋制速度的加快，使得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒形核以后沒有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大，導(dǎo)致模擬結(jié)果顯示的晶粒尺寸相應(yīng)減?。浑S著斷面收縮率的增大，晶粒更容易破碎，導(dǎo)致模擬結(jié)果顯示的晶粒尺寸相應(yīng)減小。