电流大小对TC4钛合金高温压缩力学行为的影响分析

胡静

（成都工业学院 机械工程系，成都 611730）

0 引 言

TC4 钛合金由美国于1954 年研制成功［1］。它是一种α+β 等轴马氏体型两相合金，密度小、耐高温、比强度高、耐腐性好、抗氧化性能好，被广泛应用于航空航天、武器装备、舰船及医学等领域中，约占钛合金总产量的50%。在金属压力加工中引入电流，电子的定向运动促进微观形变，有利于塑性变形。材料发生塑性变形所需的应力越小，则其变形抗力越小，塑性越好。钛合金的力学性能对电力学参数敏感，因此，研究高温压缩过程中电流大小对TC4 钛合金力学行为的影响，对实现工艺参数优化和提高工件质量是非常有意义的。

高温压缩试验是利用电流作为加热源，以不同的升温速度分别加热不同晶粒度的TC4 钛合金。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本次电塑性压缩试验材料为若干φ5×7.5 mm TC4 钛合金小圆柱体试样，平均晶粒度分别为8 μm、16 μm 和20 μm，退火态，等轴α+β 组织。化学成分质量分数如下：Ti，6.50%Al，4.25%V，0.16%O，0.04%Fe，0.02%C，0.015%N，0.0018%H 和其他。

1.2 试验方法

利用Gleeble-1500D 动态热-力学模拟机完成TC4钛合金高温压缩实验。热-力学模拟机利用闭环控制的直流电阻加热方式加热试样，工艺路线为：分别以10 ℃/s 和50 ℃/s 的升温速度将试样加热至变形温度700 ℃，变形速率为10-3/s，变形量为35%，水淬。

2 结果及分析

2.1 电流大小与升温速度的关系

热-力学模拟机根据预设升温速度控制输出电流大小，且满足下式：

式中：I 为通过试样的电流；A 为试样横截面积；ρ 为试样的密度；C 为试样的比热容；σ 为试样的电阻系数；dT/dt为试样的预设升温速度。

由式（1）可知，试样一定，I 与dT/dt 相关，理想状态时I2∝dT/dt。得到以下结论：利用热-力学模拟机进行高温压缩时，通过试样的电流大小与预设升温速度大小有关。预设升温速度大，则实际通过试样的电流大；预设升温速度小，则实际通过试样的电流小。

2.2 电流大小对升温过程应力的影响

材料内部任意一点的局部应力都是由外加应力和内应力组成［2］，即其中：τloc为作用于滑移面上的局部应力；τ 为外加应力；τi为内应力。

外加应力由热-力学模拟机的力学控制系统提供，它促进位错的可动性。内应力包括晶格摩擦力、长程内应力、滑移位错与林位错之间产生的交互作用力和阻力，长程内应力促进位错可动性，其余应力阻碍位错可动性。当促进位错发生的应力和大于阻碍位错发生的应力和时，位错可动，否则位错不可动。当微观变形达到临界条件后，便产生宏观上的塑性变形［3］。

本实验分别以10 ℃/s 和50 ℃/s 的升温速度将试样加热至700 ℃进行压缩，整个过程可以分为两个阶段：升温阶段和保温阶段（恒温变形阶段）。升温阶段利用电流加热试样，电流产生的焦耳热为试样提供热量，电流带来的电塑性作用十分明显。

由焦耳-楞次定律，电流通过试样时产生的热量［4-5］

式中：Q 为电流通过试样产生的热量；R 为试样的电阻值；t 为通电时间。

图1 是分别以10 ℃/s 和50 ℃/s 的预设升温速度加热时测得的实际温度-时间曲线图。从图中可以看出，曲线几乎呈斜直线上升至700 ℃，这说明在整个升温过程中升温速度基本恒定。曲线在起始端有波动，这是因为对试样突然施加电流造成的不稳定现象，在之后的整个过程中曲线未出现明显波动，说明试样自身的参数（如密度、比热容和电阻等）变化对温度的影响不大。由式（1）知，I2∝dT/dt，综合考虑ρ、C 和σ 对电流的影响，可将它们共同的作用视为恒量，所以在升温速度一定时，电流大小也基本恒定。升温过程中，为了讨论电阻效应，我们利用应力-温度曲线对比同温度不同升温速度下的应力值大小，即排除焦耳热差异带来的应力变化。图2 是晶粒度分别为8 μm、16 μm 和20 μm 的TC4 钛合金在10 ℃/s和50 ℃/s 升温速度下的应力-温度曲线图，该图反映电流大小对升温过程应力值的影响。相同晶粒度不同升温速度下得到的应力-温度曲线差异很大，以升温速度10 ℃/s加热试样时的应力值明显大于升温速度为50 ℃/s 时的应力值。这主要是因为电子的定向运动有促进位错运动的作用，随着电流的增大，定向运动电子数越多，对位错的影响愈明显。图2（a）、（b）、（c）中，升温速度为10 ℃/s 时应力峰值分别为600 MPa、500 MPa 和500 MPa，升温速度为50 ℃/s 时应力峰值分别为300 MPa、260 MPa 和300 MPa。应力越小，材料抵抗变形的能力越差，塑性越好。由此可知电流越大，越容易诱发材料变形，这对材料的塑性是有利的。

图1 不同升温速度的温度-时间曲线图

图2 不同升温速度的应力-温度曲线图

相同温度时，小电流作用下，电子活跃程度低，热运动不是特别剧烈，激活能低，所以应力大，曲线先上升后下降。大电流作用下，电子活跃程度高，热运动剧烈，激活能高，所以应力小，曲线一直上升，见图2（d）。因为小电流加热试样一段时间，温度升到500 ℃时，在焦耳热和电流的耦合作用下，原子热运动和电子定向运动的持续作用使得应力下降。大电流加热试样时升温速度更快，在很短的时间内便升到了700 ℃，持续作用效应没有体现出来。最后，二者到达700 ℃时的应力大小基本相同。总的来说，电流小，则应力大且急剧上升；电流大，则应力小且平稳上升。大电流作用更有利于塑性变形。

通电前，试样内的电子做杂乱无章的运动，在通电的瞬间，电子做定向运动，突然加剧电子与晶格的碰撞，导致晶格的热运动加剧［6］，温度急剧上升，所以图中的起始温度约100 ℃。升温速度大小对起始温度影响不大。

2.3 电流大小对真应力-真应变的影响

图3 是晶粒度分别为8μm、16μm 和20μm 的TC4钛合金在以升温速度10 ℃/s 和50 ℃/s 作用下的真应力-真应变曲线。由图可知，以电流作为加热源压缩时，主要软化机制为动态再结晶。应力逐渐下降，未出现波动，故为连续动态再结晶过程。材料内部积累了足够高的位错密度后，在一定大小的驱动力作用下，便可发生动态再结晶［7］。图3 中，电流越大，发生动态再结晶软化时的临界变形量越小，说明电流的增大可以提前动态再结晶软化过程。

图3 不同电流大小的真应力-真应变曲线图

图3 中曲线1 应力值在变形初期骤增，达到峰值后急剧下降，最后缓慢降低，趋于稳定。因为以10 ℃/s 的速度加热时，通过试样的电流值较小，材料内部虽然产生了大量位错，但是畸变能还不足以诱发大量动态再结晶，加工硬化占主导地位。加热到一定温度后，在温度和电流的共同作用下开始发生动态再结晶软化，由于前期储存大量位错，所以一旦诱发动态再结晶软化则应力下降明显。当加工硬化和动态软化趋于平衡状态时，流变应力缓慢降低，趋于稳定。图中曲线2 以50 ℃/s 的速度加热时，通过试样的电流值大，电流提供更高的变形能，促进位错运动，所以该曲线出现了典型的应变硬化阶段和稳态流变阶段，符合典型的动态再结晶特点。

压缩变形初期，在电流和压力的共同作用下，位错启动并产生大量新的位错，导致位错迅速增殖，产生加工硬化，应力迅速上升。随着变形量的不断增加，位错密度增加，动态再结晶加快，软化作用加强，当软化作用大于加工硬化作用时，曲线开始下降，应力降低，此时的应力在峰值和屈服应力之间，属于稳态。

电流能降低材料的动态再结晶温度、促进动态再结晶软化，电流越大效果越明显。同时，电流越大电子活跃程度也越大，因此材料内部的晶格摩擦力、位错交互力和阻力也越大，τloc发生变化。当τloc≤0 时，部分可动位错变成不可动位错，造成位错塞积，软化能力受到影响。电流越大，动态再结晶软化能力越差，稳定态的应力越大；电流越小，动态再结晶软化能力越好，稳定态的应力越小。这就是曲线2 的应力值大于曲线1 应力值的原因，相同应变时二者的应力值相差约50 MPa。

3 结 论

1）以电流加热试样的升温阶段，小电流作用下，应力大且急剧上升，到达峰值后急剧下降；大电流作用下，应力小且平稳上升。升温至预设变形温度700 ℃时二者应力大小基本相同。大电流作用更有利于塑性变形。

2）在试样上施加大电流可以使其提早进入动态再结晶过程，无应力骤增现象，塑性变形均匀，但其稳定态的应力大。施加小电流时进入动态再结晶过程较晚，且在变形初期应力骤增，不利用塑性变形，但其稳定态的应力小。

3）钛合金是高层错能金属，一般情况下其主要软化机制是动态回复。本次实验的变形温度为700 ℃，低于其理论再结晶温度。由真应力-真应变曲线知，TC4 钛合金在其再结晶温度以下发生了明显的动态再结晶软化，减小了材料在塑性变形过程中的抗力，从而说明电流能使层错能高的材料在较低温度下发生动态再结晶软化，降低变形抗力，有利于塑性变形。

［1］ 高敬，姚丽.国内外钛合金研究发展动态［J］.世界有色金属，2001（2）：4-7.

［2］ 刘萍.塑性变形过程中的位错动力学分析［D］.合肥：合肥工业大学，2010.

［3］ 赵田臣，周亮.金属在弹性应力长期作用下的永久变形机理［J］.石家庄铁道学院学报，1997，10（3）：100-102.

［4］ 连珊珊，冯可芹，杨屹，等.预设升温速度对W-Cu 合金性能的影响［J］.电子元件与材料，2008，27（7）：41-43.

［5］ CHEN W N.Gleeble System and Application［M］.New York，USA：Gleeble System School，1998

［6］ 郭尔奇，杨刚，杨屹，等.升温速度对电场烧结NdFeB 材料致密化的影响［J］.电子元件与材料，2007，26（3）：29-32.

［7］ 武威，刘隽，易德颂.Mn18Cr18N 护环变形过程中的动态再结晶［J］.一重技术，1998（4）：48-49.