GH4169 合金不同热变形条件下的流变应力研究

张付军，周晚林，陈文豪

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

GH4169 合金属于镍基变形高温合金，类似于美国Inconel718 合金，在650℃以下具有较高的抗拉强度、屈服强度和良好的塑性［1］，同时具有良好的抗腐蚀、抗辐射能、疲劳、断裂韧性等综合性能，既是航空发动机热端部件、航天火箭发动机高温部件的关键材料，又是工业燃气轮机和能源部门的高温耐蚀、耐磨部件材料［2］，有着较为广泛的应用。同时高温合金是一种难变形材料，塑性低，变形抗力大，热加工温度范围窄，导热性差，没有相变和重结晶［3］。高温合金的这些特点使得其锻造性能同合金结构钢大不相同，在高温下的变形抗力大，锻造加工困难，故研究其热变形行为有着重要的意义。

流变应力是表征金属与合金塑性变形的一个基本量，在实际塑性变形过程中，合金的流变应力决定了变形时所需施加的载荷大小和所消耗能量的多少［4］。确定流变应力的大小，不仅能为设备选型与校核提供参考，还是进行模具与有关装置设计的前提。在高温塑性变形过程中，随着变形条件的不断变化，镍基高温合金流变应力也在动态地变化，从而导致描述流变应力的变化规律比较困难。为了便于工程应用，利用理论模型对GH4169 合金所表现出的复杂力学现象进行本构建模。研究镍基高温合金的高温塑性变形行为，可以探明材料的流变应力在高温塑性变形过程中的变化规律，找出流变应力与应变速率和变形温度之间的数量关系。本文通过高温压缩试验，研究了应变速率和变形温度等工艺参数对合金流变应力的影响，根据试验数据拟合建立了GH4169 的Arrhenius 型热变形本构方程，为该合金实际生产中的锻造加工，提供一定的理论参考，同时也可以为有限元法模拟加工过程提供重要数据。

1 试验材料和方法

试验材料选用的是GH4169 棒材，该棒材由上海镍晟合金材料有限公司提供，执行的生产标准是航空工业标准HB 6702－1993，采用的是标准热处理制度，其化学元素成分含量见表1。将试验原材料加工成d10 ×12 的标准圆柱体试样，在Gleeble－3500 热模拟试验机上对试样进行恒温、恒应变速率条件下的高温压缩试验。该试验机采用计算机编程控制，可以精确地控制加热温度、加热速度和变形量等，其温度控制精度在±1 ℃。试样采用电阻加热法，加热速度为5 ℃/s，到达试验温度后，保温3 min，使试样内部组织均匀。为了减小摩擦产生的影响，试样两端采用钽片润滑，在钽片与夹头之间，还涂有石墨润滑剂。同时在试验操作箱内，通入氩气，防止试样氧化。根据GH4169 高温合金的锻压成形温度、变形速率范围，确定压缩试验的工艺:变形温度为980 ℃、1 000 ℃、1 040 ℃、1 100 ℃;应变速率为0.01 s－1、0.1 s－1、1 s－1、10 s－1;变形量为50%。试验过程中，试验机配备有微机处理系统，能够直接将试验过程中的相关数据记录下来，并生成真应力－真应变曲线。试验结束后，立即对试样进行水淬。

表1 GH4169 合金质量分数%

2 试验结果及分析

GH4169 合金在不同热变形条件下的真应力－真应变曲线如图1 所示。由图可知，在变形的初始阶段，随着变形量的增加，流变应力急剧增大。在应变速率为0.01 s－1和1 s－1的条件下，流变应力在很小的变形量下即达到峰值(峰值应力)，这是因为此阶段合金发生了加工硬化效应，位错密度增加所产生的应变硬化占据主导地位［4］，随后流变应力呈现降低趋势，并逐渐趋于稳态;当应变速率为0.1 s－1时，在很小的应变下，流变应力一直上升，在经过小幅下降后，继续上升，到达最高点后，同大多数合金相类似，真应力－真应变曲线开始下降;当应变速率较高(10 s－1)时，流变应力在达到峰值以后，一直呈现降低趋势。在试验变形程度范围内，没有出现稳态值。通过观察四个真应力－真应变线可知，本次试验中，该合金均出现了动态再结晶过程，由于变形条件不同，动态再结晶的程度也不同，图1(a)、图1(c)两图中动态再结晶程度较大，动态再结晶产生的动态软化和应变硬化达到动态平衡，在图中表现为流变应力在峰值过后，达到稳定值。GH4169高温压缩变形过程中峰值应力与变形工艺参数之间的关系如图2 所示，从图2 中可以看出，该合金的峰值应力对应变速率和温度都比较敏感。当应变速率较小时，变形温度对峰值应力的影响较小;当应变速率较大时，变形温度对峰值应力的影响较大。可见，GH4169 合金属于应变速率敏感型和热敏感型的材料［5］。

图1 不同应变速率下的真应力－真应变曲线

图2 不同温度下的峰值应力

3 流动应力模型

高温变形过程中，材料的高温流变应力除了与合金自身性能有关外，还取决于变形温度和变形速率。目前在金属热变形过程中，描述热变形行为的力学方程主要是Arrhenius 型本构方程，王忠堂等研究发现，Arrhenius 型本构方程有如下形式［6］:

式中:ασ 取任意值。

通过对式(1)、式(2)、式(3)进行变形可得:

现取σ 为试验过程中的峰值应力σP，绘制关系曲线，如图3(a)(b)所示。由图3 可计算出n=6.45，α=0.003 6，将n 和α 代入式(6)，可求得ln［sinh (ασP)－1/T关系曲线，如图3(c)所示。根据图3(c)，取四条直线的平均斜率，进而可得:

因此可以确定，本试验采用GH4169 合金试样的热应变激活能为503.92 KJ·mol－1。文献［1］指出，Garcia 等人通过研究发现，GH4169 合金在热加工状态下的变形激活能为485 KJ·mol－1，由于存在试验条件和材料具体成分上的微小差异，可以认定本文所求得的Q 值同文献是较为吻合的。

图3 GH4169 合金峰值应力与应变速率关系

将所求得的各个材料参数代入式(3)，可得GH4169合金在变形温度980 ℃～1 100 ℃、应变速率0.01 s－1～10 s－1时的双曲正弦型Arrhenius 方程(8):

把应变速率和变形温度分别代入方程式(8)可求得在一定变形条件下峰值应力的计算值σs，图4 是峰值应力的计算值－实际值曲线，经过一元线性回归拟合后，可以发现，计算值可以达到实测值的95.95%。可见，本文所建立的GH4169 合金的双曲正弦型Arrhenius 方程式(8)，精确度较高，能够较准确地反映GH4169 镍基高温合金在高温热变形过程中的流变应力。

图4 流变应力计算值σS与实测值σP的比较

4 结论

1)GH4169 合金热压缩变形的流变应力，随着变形温度的升高而降低，随着应变速率的增大而增大。在变形的初始阶段，合金的加工硬化效应显著，流变应力呈现较为明显的增大趋势。在达到峰值应力后，合金发生了动态再结晶行为，加工硬化效应不再占主导地位，表现为合金的流变应力逐渐下降，并趋于稳态。

2)通过试验数据，计算出GH4169 合金的热应变激活能Q=503.92 KJ·mol－1，建立了合金高温变形条件下的双曲正弦型Arrhenius 方程:

通过该方程计算变形温度980 ℃～1 100 ℃、应变速率0.01～10 s－1条件下合金的流变应力，进行误差分析后发现，计算值与实测值较为吻合，相对误差约为4.05%。该方程可作为实际生产过程中制定生产工艺，进行峰值应力计算的理论依据，同时也可用于有限元模拟。

［1］魏洪亮，杨晓光，于慧臣.GH4169 合金高温力学行为本构建模及参数识别［J］.材料工程，2005，(4):42-45.

［2］杨小红.GH4169 合金高温塑性变形行为及组织演变模型研究［D］.辽宁:沈阳理工大学，2007.

［3］李慧中，张新明，陈明安，等.2519 铝合金热变形行为［J］.中国有色金属学报，2005，15(4):621 .

［4］时伟，王岩，等.GH4169 合金高温塑性变形的热加工图［J］.粉末冶金材料科学与工程，2012，17(3):281-290.

［5］王忠堂，等.AZ31 镁合金热变形本构方程［J］.中国有 色金属学报，2008，18(11):1977-1980.