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120_模具室温ECAP制备工业纯钛的压缩变形本构关系_刘晓燕.pdf

120_模具室温ECAP制备工业纯钛的压缩变形本构关系_刘晓燕…

上传者: 梦恋缘&追忆 2018-01-10 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《120_模具室温ECAP制备工业纯钛的压缩变形本构关系_刘晓燕pdf》,可适用于自然科学领域,主题内容包含第卷第期中国有色金属学报年月VolNoTheChineseJournalofNonferrousMetalsMay文章编号:()deg模具室温ECA符等。

第卷第期中国有色金属学报年月VolNoTheChineseJournalofNonferrousMetalsMay文章编号:()deg模具室温ECAP制备工业纯钛的压缩变形本构关系刘晓燕赵西成杨西荣王成(西安建筑科技大学冶金工程学院西安武汉钢铁股份有限公司武汉)摘要:在Gleebleminus热模拟机上对deg模具室温Bc方式ECAP变形道次制备的平均晶粒尺寸约为nm的工业纯钛进行等温变速压缩实验研究超细晶工业纯钛在变形温度为~K和应变速率为timesminus~timessminus条件下的流变应力行为。结果表明:变形温度和应变速率均对流变应力具有显著影响峰值应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低流变应力在变形初期随应变的增加而增大出现峰值后逐渐趋于平稳呈现稳态流变特征。采用双曲正弦模型确定了超细晶工业纯钛的变形激活能Q=kJmol和应力指数n=建立了相应的变形本构关系。关键词:超细晶工业纯钛热压缩变形流变应力本构关系变形激活能中图分类号:TG文献标志码:AConstitutiverelationshipofcompressiondeformationofultrafinegrainedcommerciallypuretitaniumprocessedbyECAPatroomtemperaturewithdegdieLIUXiaoyan,ZHAOXicheng,YANGXirong,WANGCheng(SchoolofMetallurgicalEngineering,XirsquoanUniversityofArchitectureandTechnology,Xirsquoan,ChinaWuhanIronandSteelCompanyLimited,Wuhan,China)Abstract:Thehotcompressiondeformationbehaviorofultrafinegrained(UFG)commerciallypure(CP)TiwiththeaveragegrainsizeofaboutnmwasstudiedbyisothermalsimulationtestsatthedeformationtemperatureofminusKandthestrainrateoftimesminusminustimessminusontheGleebleminusthermalmechanicalsimulatorUFGCPTiwasproducedbyECAPuptopasseswithadieofdegusingrouteBcatroomtemperatureTheresultsshowthatthedeformationtemperatureandstrainrategreatlyaffecttheflowstressThepeakstressdecreaseswithincreasingdeformationtemperatureanddecreasingstrainrateTheflowstressincreaseswithincreasingstrainandtendstobeconstantafterapeakvaluewhichisthecharacteristicofthesteadyflowstateThedeformationactivationenergyandstressexponentwereobtainedusingthehyperbolicsinemathematicsmodeltobeQ=kJmolandn=,andthehotdeformationconstitutiverelationshipwasestablishedKeywords:ultrafinegrainedcommerciallypure(CP)Tihotcompressiondeformationflowstressconstitutiverelationshipdeformationactivationenergy等径弯曲通道变形(Equalchannelangularpressing,ECAP)是目前制备高性能块状超细晶材料最有效的剧烈塑性变形方法也是目前最具工业化应用前景的技术已引起材料科学工作者的广泛关注minus。本文作者采用该技术在室温制备超细晶工业纯钛minus。由于ECAP变形制备的块体超细晶材料的形状和尺寸与实基金项目:国家自然科学基金资助项目()高等学校博士学科点专项科研基金资助项目()陕西省自然科学基金资助项目(JM)收稿日期:修订日期:通信作者:刘晓燕,讲师,博士研究生电话:Email:xauatlxyanhotmailcomDOI:jysxb第卷第期刘晓燕等:deg模具室温ECAP制备工业纯钛的压缩变形本构关系际应用产品还有一定差距通常需要进行二次成形加工如锻造、轧制或挤压以达到最终形状要求。在金属塑性成形过程中本构方程作为描述材料变形时热力学参数之间关系的模型在制定和优化成形工艺参数中十分重要其主要表现为流变应力受变形温度、应变速率和变形程度影响的变化规律因此建立精确的本构方程对制定合理的热加工工艺以及在金属塑性变形理论研究方面都极其重要。压缩实验过程与锻造过程相似因此对于工业纯钛本构方程的建立主要采用热压缩实验来获得流变应力曲线进而按照不同的本构模型建立一些经验公式以满足工程技术要求minus。ZENG等研究了粗晶工业纯钛在变形温度为~K和应变速率为timesminus~timessminus条件下的热压缩流变应力行为采用Arrhenius本构关系模型建立了粗晶工业纯钛的本构方程。LONG等研究了采用deg模具ECAP变形制备超细晶工业纯钛在恒定应变速率(timesminussminus)下的热压缩变形行为。结果表明:超细晶工业纯钛的压缩应力mdash应变响应强烈依赖于变形温度。在再结晶温度以下超细晶工业纯钛显示出不同于粗晶的硬变软化现象。ALEXANDROV等应用运动学模型对不同晶粒尺寸工业纯钛的变形行为进行分析。其中超细晶工业纯钛(在~KECAP变形制备)的真应力mdash真应变曲线表现出应变硬化缓慢衰减的单一特征当真应变达到时流变应力饱和达到稳态流变阶段。JIA等对超细晶工业纯钛室温变形行为的研究表明:随着应变速率的增加超细晶工业纯钛的流变应力增加且变形越不均匀促进绝热剪切带形成从而导致塑性失稳。目前关于应变速率和变形温度对超细晶工业纯钛热变形流变应力影响的研究报道较少。为此本文作者在Gleebleminus热模拟机上对室温ECAP制备的超细晶工业纯钛圆柱试样进行等温变速压缩实验研究超细晶工业纯钛在压缩变形时流变应力与变形温度和应变速率之间的关系建立相应的流变应力模型为制定与优化超细晶工业纯钛热加工工艺流程以及工业生产提供理论依据。实验实验材料实验材料为deg模具室温以Bc方式ECAP变形道次工业纯钛(TA)平均晶粒尺寸约为nm化学成分(质量分数)如下:O、H、N、C、Fe、余量为Ti。图所示为超细晶工业纯钛的TEM像。从图可知晶界较清晰晶粒大小比较均匀晶内位错密度低基本为等轴状的超细晶组织并伴有少量亚晶。图超细晶工业纯钛变形组织的TEM像FigTEMimageofUFGCPTideformationmicrostructure实验方法将超细晶工业纯钛(从ECAP变形试样的中径处截取)加工成dmmtimesmm圆柱形试样在Gleebleminus热模拟实验机上进行等温变速率热压缩实验。实验温度为、、和K所有试样均利用自身电阻进行加热试样以s的加热速度升温到预定温度变形前保温min应变速率为timesminus、timesminus、timesminus和timessminus所有压缩变形试样的初始应变速率和最终应变速率保持相同最大变形程度为压缩变形后的试样立即进行水淬处理以保留变形后的组织压缩试样前两端填充石墨及机油的混合润滑剂以减小摩擦避免出现腰鼓和侧翻等不均匀变形现象在整个实验过程中由Gleebleminus热模拟实验机的微机处理系统自动采集应力、应变、压力、位移、温度及时间等数据绘制真应力mdash真应变曲线。结果与讨论超细晶工业纯钛的真应力mdash真应变曲线超细晶工业纯钛等温变速压缩变形的真应力mdash真应变曲线如图所示。由图可见在变形温度为~K和应变速率为timesminus~timessminus的条件下流变应力曲线表现中国有色金属学报年月图不同应变速率下超细晶工业纯钛的真应力mdash真应变曲线FigTruestressmdashtruestraincurvesofUFGCPTiunderdifferentstrainrates:(a)=timesminussminus(b)=timesminussminus(c)=timesminussminus(d)=timessminus出明显的稳态流变特征。流变应力随应变量的增加而迅速升高达到峰值后继续变形流变应力即进入稳态流变阶段。该现象是由于材料在塑性变形过程中加工硬化和回复再结晶引起的动态软化同时存在。在变形初期材料变形表现为加工硬化。在外应力和热激活的作用下大量位错源开启位错密度急剧增加位错之间互相交割形成位错网络且位错间的交互作用增大了位错运动的阻力使流变应力也急剧增大此时加工硬化远远大于位错交滑移引起的软化因此在峰值应力之前加工硬化处于主导地位应力迅速上升随着应变量的继续增加晶内储存能逐渐升高使位错增值和位错间由于相互作用而引起的相互对消和重组达到动态平衡加工硬化和动态软化达到动态平衡从而使稳态变形阶段的流变应力基本不变。在相同的温度和变形速率下与粗晶工业纯钛进行比较孪晶的作用可忽略不计。图(a)中K所对应的流变曲线在应变量较大时出现应力持续下降的异常情况。这可能是由于在较低温度和应变速率变形下且应变量较大时材料内部局部组织发生开裂导致流变应力持续下降。当应变速率较大时若有裂纹产生也会在很短的时间内焊合从而不会出现应力持续下降的现象。在同一应变速率下随变形温度的升高超细晶工业纯钛的流变应力明显减小这主要是由于温度升高,热激活作用加强,原子的活动能力增强各滑移系由于临界切应力大幅下降而被激活从而导致该材料的变形抗力降低minus。在同一变形温度下随着应变速率的增大超细晶工业纯钛的流变应力也增大说明细晶工业纯钛在该实验条件下具有正的应变速率敏感性。此外在高应变速率下材料变形时间短在短时间内所产生的变形热来不及散发到周围介质中提高了超细晶工业纯钛内部温度而使流变应力下降。变形温度越低软化的效果越大如图(d)中K时的真应力mdash真应变曲线。因此综合以上变化规律及影响作用制定超细晶热塑性成形工艺方案时,必须充分考虑变形温度和应变速率对流变应力的影响。第卷第期刘晓燕等:deg模具室温ECAP制备工业纯钛的压缩变形本构关系由图(b)和(c)可知:当应变速率为timesminussminus和timesminussminus时变形温度为~K时的条曲线上均出现明显锯齿状这种现象称为动态应变时效效应或PLC效应。超细晶工业纯钛的流变应力模型在材料高温变形过程中流变应力与变形温度、应变速率和应变量之间的关系即本构关系体现了材料在热加工过程中对热加工参数的动态响应。正确理解材料在热变形条件下的这种动态关系对于了解材料的高温变形特征、探明材料的变形本质以及实现材料塑性成形工艺的优化设计非常重要。由于材料在塑性加工过程中的动态响应是材料内部组织结构演化过程引起的硬化和软化过程综合作用的结果所以本构关系是高度非线性的不存在普遍适用的构造方法。本研究采用已广泛用于金属材料热变形的包含变形激活能和变形温度的双曲正弦形式修正的Arrhenius本构关系模型来描述流变应力与变形温度和应变速率的关系即sinh()exp()nAQRT()式中:sigma为流变应力为应变速率T为变形温度n为应力指数alpha为应力水平参数A为结构因子R为摩尔气体常数Q为热变形激活能是材料在热变形过程中重要的力学性能参数它反映高温塑性变形时应变硬化与动态软化过程之间的平衡关系其大小取决于材料的组织状态。求出alpha、n、A和Q即可描述材料的高温流变特性。大量的研究结果表明:式()能较好地描述拉伸、压缩及扭转等常规的热加工变形。对不同的金属材料热加工数据的研究结果表明:低应力状态下和高应力状态下流变应力和应变速率之间分别可用指数关系和幂指数关系进行描述即低应力水平(alphasigma<)时可以用指数关系模型描述即exp()nAQRT()高应力水平(alphasigma>)时可以用幂指数关系模型描述即exp()exp()AQRT()式中:A、A、n和beta均是常数。分别对式()和()两边取对数得:lnlnlnQAnRT()lnlnQART()由式()和()可知:当温度一定时变形激活能Q为一定值n和beta分别是lnmdashlnsigma和lnmdashsigma曲线(见图)的斜率。采用最小二乘法进行线性回归处理得到不同条件下的n和beta取其平均值进而确定alpha(alpha=betan)。图不同温度条件下流变应力与应变速率的关系曲线FigRelationshipsbetweenstrainrateandflowstressatdifferenttemperatures:(a)lnmdashlnsigma(b)lnmdashsigmaZenerHollomon(Z)参数综合了材料的热变形条件其物理意义是温度补偿的应变速率因子表示热变形温度以及应变速率对热变形过程的综合作用。Z参数表达式如下:exp()ZQRT()联立式()和()可得:exp()sinh()nZQRTA()对式()两边分别取对数整理可得lnln()lnsinh()AQRTn()由式()可知当变形温度恒定时有lnlnsinh()nT()中国有色金属学报年月当应变速率恒定时有lnsinh()()QRnT()联立式()和()可得:lnlnsinh()lnsinh()()QRTT()根据真应力mdash真应变曲线绘制lnmdashlnsinh(alphasigma)的关系曲线如图所示。lnsinh(alphasigma)mdashT的关系曲线如图所示。n和Q(Rn)分别为lnmdashlnsinh(alphasigma)和lnsinh(alphasigma)mdashT曲线的斜率。对图和的数据采用最小二乘法进行线性拟合可获得不同应变条件下的应力指数n以及Q(Rn)值由式()可求得在~K温度范围内的平均变形激活能为图不同温度下lnmdashlnsinh(alphasigma)关系曲线FigRelationshipbetweenlnandlnsinh(alphasigma)atdifferenttemperatures图不同温度下lnsinh(alphasigma)mdashT关系曲线FigRelationshipbetweenlnsinh(alphasigma)andTatdifferenttemperatureskJmol该值接近文献中给出alphaTi的晶界扩散激活能(kJmol)说明ECAP制备超细晶工业纯钛在压缩时变形主要受到晶界控制如晶界滑移、晶界扩散和Coble蠕变等,,。事实上具有非平衡高应力晶界的超细晶工业纯钛其晶界内部(或位错胞壁墙)的动态扩散过程在高温的驱动力下更加明显。晶界滑移的微观物理本质目前还不清楚需要进行更深入的研究。对式()两边取对数得lnlnlnsinh()ZAn()绘制lnZmdashlnsinh(alphasigma)的关系曲线如图所示。由图可见:超细晶工业纯钛lnZ和lnsinh(alphasigma)的数据经过最小二乘法线性拟合后具有较高的相关系数。求得该直线的截距为lnA进而可求得材料常数A值。图lnZmdashlnsinh(alphasigma)关系曲线FigRelationshipbetweenlnZandlnsinh(alphasigma)将求得的Q、alpha、n和A等材料参数值代入式()得到超细晶工业纯钛热压缩时的流变应力方程为timessinh(sigma)middotexpminus(RT)()结论)超细晶工业纯钛热压缩变形时的流变应力随着真应变的增加而增大达到峰值后逐渐趋于平稳峰值应力随着变形温度的升高和应变速率的减小而减小。)基于双曲正弦本构关系模型建立了deg模具室温ECAP制备超细晶工业纯钛高温变形时的本构关系即timessinh(sigma)middotexpminus(RT)第卷第期刘晓燕等:deg模具室温ECAP制备工业纯钛的压缩变形本构关系REFERENCESLATYSHV,KRALLICSG,ALEXANDROVIV,FODORAApplicationofbulknanostructuredmaterialsinmedicineJCurrentAppliedPhysics,,():minusZHERNAKOVVS,LATYSHVV,STOLYAROVVV,ZHARIKOVAI,VALIEVRZThedevelopingofnanostructuredSPDTiforstructuraluseJScriptaMaterialia,,():minusVALIEVRZ,ALEXANDROVIV,ZHUYT,LOWETCParadoxofstrengthandductilityinmetalsprocessedbysevereplasticdeformationJJournalofMaterialsResearch,,():minusZHAOXC,FUWJ,YANGXR,LANGDONTGMicrostructureandpropertiesofpuretitaniumprocessedbyequalchannelangularpressingatroomtemperatureJScriptaMaterialia,,():minusZHAOXC,YANGXR,LIUXY,WANGXY,LANGDONTGTheprocessingofpuretitaniumthroughmultiplepassesofECAPatroomtemperatureJMaterialsScienceandEngineeringA,,():minusNEMATNASSERS,GUOWG,CHENGJYMechanicalpropertiesanddeformationmechanismsofacommerciallypuretitaniumJActaMaterialia,,():minusCHENGJY,NEMATNASSERSAmodelforexperimentallyobservedhighstrainratedynamicstrainagingintitaniumJActaMaterialia,,():minusXUC,ZHUWFTransformationmechanismandmechanicalpropertiesofcommercaillypuretitaniumJTransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,,():minusJIAD,WANGYM,RAMESHKT,MAEDeformationbehaviorandplasticinstabilitiesofultrafinegrainedtitaniumJAppliedPhysicsLetter,,():minusZENGZP,JONSSONS,ZHANGYSConstitutiveequationsforpuretitaniumatelevatedtemperaturesJMaterialsScienceandEngineeringA,,():minusLONGFW,JIANGQW,XIAOL,LIXWCompressivedeformationbehaviorsofcoarseandultrafinegrainedpuretitaniumatdifferenttemperatures:AcomparativestudyJMaterialsTransactions,,():minusALEXANDROVIV,CHEMBARISOVARG,SITDIKOVVDAnalysisofthedeformationbehaviorofCPTiwithdifferentgrainsizesbymeansofkineticmodelingJArchivesofMetallurgyandMaterials,,():minus王宏伟,易丹青,王斌,蔡金伶,钱峰,陈缇萦MgZnZrYNd镁合金的高温塑性变形行为的热压缩模拟J中国有色金属学报,,():minusWANGHongwei,YIDanqing,WANGBing,CAIJinling,QIANFeng,CHENTiyingHotcompressivedeformationsimulationofMgZnZrYNdmagnesiumalloyatelevatedtemperatureJTheChineseJournalofNonferrousMetals,,():minus李庆波,叶凡,周海涛,钟建伟,赵伸恺,王孟君MgYZnZr合金的热变形行为J中国有色金属学报,,():minusLIQingbo,YEFan,ZHOUHaitao,ZHONGJianwei,ZHAOShenkai,WANGMengjunHotdeformationbehaviorofMgYZnZralloyJTheChineseJournalofNonferrousMetals,,():minus李慧中,李洲,刘咏,张伟,王海军TiAL基合金的高温塑性变形行为J中国有色金属学报,,():minusLIHuizhong,LIZhou,LIUYong,ZHANGWei,WANGHaijunPlasticdeformationbehaviorofTiALbasedalloyathightemperatureJTheChineseJournalofNonferrousMetals,,():minusPOIRTIERJP晶体的高温塑性变形M关德林,译大连:大连理工大学出版社,:POIRTIERJPPlasticdeformationofcrystalatelevatedtemperatureMGUANDelin,translDalian:DalianUniversityofTechnologyPress,:FROSTHJ,ASHBYMFDeformationmechanismmapsMOxford:PergamonPress,:minusZHENGMY,XUSW,QIAOXG,WUK,KAMADOS,KOJIMAYCompressivedeformationofMgZnYZralloyprocessedbyequalchannelangularpressingJMaterialsScienceandEngineeringA,,():minus(编辑陈卫萍)

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