纯钛在高温大变形量下的加工性及变形模型

纯钛在高温大变形量下的加工性及变形模型

纯钛由于具有高的比强度，是出色的轻质结构件候选材料。通过大变形量塑性变形细化晶粒是一种可行的增加材料强度及塑性的方法。为了获得温加工及热加工变形所必须的力学性能参数，以往的研究重点均集中在材料的可加工性及流变应力曲线模型的建立上。掌握材料的高温流变行为是通过调整热加工工艺参数来改善其可加工性的重要依据。土耳其安兹耶大学研究人员前期的工作主要集中在对纯钛及其他金属材料高温流变行为的研究上，几乎没有高温下可加工性的研究，并缺乏对相关参数的讨论，而这些参数对于正确理解应力-应变响应是至关重要的。此外，对于等径角挤压法(ECAE)制备的超细晶纯钛，前期研究中也没有涉及高温下(高达900 ℃)的流变模型及特性。因此，研究者拟通过两方面的工作来填补上述空白：①揭示纯钛在ECAE过程中的热流变特性及高温下的可加工性；②使用两种模型对流变/应变响应进行拟合。

实验首先将Gr.2纯钛棒在300 ℃保温1 h，然后进行8道次ECAE变形，变形速率为1.27 mm/s，总应变为9.24。变形后的棒材沿挤压方向切成4 mm×4 mm×8 mm的方块，并打磨抛光去除氧化层及划伤。沿样品高度方向进行等温压缩，其变形量为60%(真应变为0.9)，应变速率分别为0.001、0.01、0.1 s-1，应变温度分别为600、700、800、900 ℃(介于0.45Tm～0.6Tm之间)。研究表明，ECAE法制备的超细晶纯钛在经过900 ℃×3 min退火处理后发生晶粒长大现象，900 ℃等温压缩后出现细小、粗大晶粒混合组织。纯钛在高温ECAE过程中的流变响应取决于变形温度及变形速率这两个因素，增加应变速率或降低变形温度可以得到更高的流动应力水平。纯钛在高温大变形量下的应变速率对变形温度十分敏感，尤其当变形温度升高到800 ℃时，应变速率敏感指数急剧增加；与此相反，应变速率对应变不敏感，特别是温度高于800 ℃时。所有实验中，都是通过确定局部流变参数来检测局部流变失稳趋势，根据这个判据，纯钛在800 ℃以上的高温可加工性令人满意，从金属材料成形方面看，在700 ℃以上高温变形是比较好的选择，因为可以获得相对较低的局部流变量。在本研究选取的应变速率及温度范围内，位错密度模型和基于Arrhenius公式的数学模型在拟合应力-应变曲线时都有合理的契合度，误差水平均低于10%。相比而言，位错密度模型在600 ℃以上更准确一些，而基于Arrhenius公式的数学模型在600 ℃以下更为准确。

侯智敏译自《Materials and Design》