低温工程用资料的要求有：热传导率和热膨胀系数低，低温韧性好，比强度高档[1]
。钛合金拥有密度低、无磁性、耐侵蚀性好的个性，被宽泛利用于宇航、超导和生物医学等低温工程领域[2?5]
。其中 Ti5Al2.5Sn别名TA7钛合金，是一种单相 α 钛合金，其在退火状态下有优良的强度和塑性
。通过多镦多拔铸造工艺出产的 TA7 ELI合金，其间隙元素(C，H，O，N)含量较低，在低温前提下拥有充足的韧性储蓄，是一种综合机能良好的超低温用钛合金[6?8]，可在温度低于 20K 的环境使用，已被美日等国用于造作火箭储氢容器 和超导发电部件[9]；但其在塑性成形与使用过程中存在制品率低、易开裂和粘结磨损等问题[10?11]
。目前，TA7 ELI 钛合金板材制品率通常只有 30%左右，属于难加工资料[12]
。针对钛合金的高温超塑性变形行为已有大量的钻研，其中，苏娟华等[13]对 TA10 钛合金在变形温度 800~1050 ℃，应变速度 0.01~5 s^?1 下的Gleeble 拉伸变形行为进行了钻研，了局批注在相变点以下的温度区间，随着变形温度的升高，TA10 钛合金的强度和塑性降落
。徐凯等 [14]对 TA12A 板材在900~940 ℃，应变速度 5×10^?4~1×10^?3 s^?1 下的高温炉中拉伸进行钻研，发现拉伸段的晶粒尺寸变大是长功夫保和善应变诱导共同作用的了局
。GHASEMI等[15]钻研 Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si 合金在应变速度 0.001~0.1 s^?1、温度领域 100~600 ℃的高温压缩流变行为，发现绝热加热会使尝试资料出现内部流动部门化景象，并产生显著的负应变速度敏感性
。东赟鹏等[16]通过热压缩试验钻研了TA7钛合金在变形温度 850~1000 ℃、应变速度 0.001~0.1 s^?1 前提下的流变应力变动法规，了局批注：随着变形温度的升高和变形速度的降低，达到一样变形水平的合金试样的流变应力显著降低
。

目前对TA7钛合金的钻研多集中于分歧的出产造备成形工艺对板材组织机能的影响以及对其低温变形机理的钻研[17]，对板蚕胙合金高温拉伸变形行为的钻研较少，TA7钛合金的高温变形法规还不明显
。本钻研针对板厚为 4 mm 的 TA7 ELI 资料进行高温状态下的力学机能钻研，通过对比评价其高温变形行为，为TA7 ELI 板材的高温塑性成形的造备过程提供理论凭据
。

1、 尝试

板材的高温拉伸尝试在热仿照试验机 Gleeble 上进行，应力?应变曲线拟丈量资料在高温下的拉伸曲线
。高温段拔取 5 个温度，别离为 800、850、900、950 和 1000 ℃
。在高温下，别离选取两种应变速度，0.01 s^?1 和 0.001 s^?1，由此，高温段的拉伸曲线共丈量10 种情况
。Gleeble 测试能够急剧获得资料产生超塑性变形的温度区间和应变速度领域，但选取此步骤，试样上温度散布不均匀，故选取炉中高温拉伸尝试对Gleeble 尝试了局进行验证
。测试资料在拉伸速度为0.02 mm/s 时的伸长率和抗拉强度，纪录拉伸过程的载 荷?位移曲线，得出资料在 950 ℃和 1000 ℃下的高温拉伸曲线，来验证 Gleeble 热仿照所得出的资料超塑性变形法规
。

试验资料为 TA7 ELI(相变点在 1025 ℃左右)，采购自宝钛集团，原始板材的尺寸为 1100 mm×160mm×4 mm
。拔取平行面(垂直试板的厚度方向)试样进行金相分析
。试样的金相组织如图 1 所示，基体组织重要为单相 α 相
。

Gleeble 热仿照的试样状态及尺寸如图 2(a)所示，炉中高温拉伸试样的状态及尺寸如图 2(b)所示
。

2、 了局与分析

2.1 热仿照尝试了局

在分歧应变速度和温度作用下，TA7钛合金板材的真应力?应变曲线如图 3 所示
。在一样的应变速度ε下，大部门的拉伸曲线中真应力 s 先随真应变 e 的增长而迅速上升，达到某值后又缓慢上升
。随着温度的升高，流变应力在总应变的约莫 4/5 处逐步降低
。当温杜咨 950 ℃升高到 1000 ℃，流动应力产生显著减幼，最高应力和应变降落了 1/3 左右
。比力求 3(a)和(b)可知，应变速度越慢，流变应力越不变，越容易获得高的伸长率
。

分析以为由于变形温度的升高，动态回复和动态再结晶越发容易进行[18]，950 ℃前促使塑性提高的成分占主导，升温使软化作用充分，减幼了资料流变应力
。但温度的升高也将促使晶粒长大，当超过 950 ℃时，晶粒严沉长大促使塑性降落，伸长率降低
。且1000 ℃左右时，尝试中易出现误差，揣摩高温区温度超过 TA7 相变点，试样在β 区起头变形，迅速形成粗壮的β组织，随后以其为基体析出片状 α 组织，从而导致试样的脆性增大，加快断裂
。

从图 3 能够看出，一样温度下，流变应力会随着应变速度的增长而增大
。分析以为，当应变速度较大时，板材变形速度较快，变形初期的位错塞积与钉扎作用使加工硬化占主导作用[19]
。之后颈缩发展所需变形应力增大，使其不休向变形抗力更幼的未产生颈缩的部位转移
。当应变速度高于最佳应变速度时，颈缩地位易产生缺点而断裂
。综合温度和应变速度对试样伸长率的影响，以为在 950 ℃到 1000 ℃，应变速度0.001 s^?1 以下会有更显著的超塑性拉伸景象，因而在高温炉中进行验证尝试
。

2.2 炉中高温拉伸试验了局

炉中高温拉伸后的试样描摹如图 4 所示，断后伸长率与屈服强度表 1 所示
。除了一个在 1000 ℃下进行拉伸的样品表，其他在 950 ℃下拉伸的样品均出现了超塑性，其中最大伸长率达到 260%
。

炉中拉伸尝试的真应力?应变曲线如图 5 所示，在此应变速度下，动态再结晶导致真应力逐步减幼，之后进入流变软化阶段
。在 950 ℃下，资料在 bc 阶段高温软化和拉伸硬化行为达到平衡，资料的变形在宏观上均匀水平很高，可实现较长功夫的流变和较大的伸长率
。而在 1000 ℃下由于变形温度升高推进了位错的相消，加工硬化效应减弱，应力在断裂前一向出现显著的降落趋向，伸长率较幼
。

综合比力两个尝试了局，能够发现，在温度为950 ℃，应变速度低于 0.001 s^?1 时，钛合金的最终变形伸长率最高可达 260%，产生了超塑性变形
。

2.3 尝试误差分析

Gleeble 高温应力?应变曲线的测试道理如图 6 所示
。测试过程中，试样夹持在两个循环水冷的铜电极之间，实时测试温度信号来对加热电流进行调整，使高温区域的温度可能依照输入的温度曲线进行变动
。整个试样的温度散布是极度不均匀的，中央的高温区只有或许 10 mm 长，夹持部位为室温
。由于中央区域在高温下的屈服强度较低，试样产生的屈服变形重要产生在中央的高温区域，在数据处置中，通常选取高温区域横向方向的位移量来推算其产生的工程应变
。

在试样产生颈缩粉碎时，颈缩地位拥有随机性，导致热电偶的地位存在如图 7 所示的三种情况
。

当热电偶装置在均匀变形区时，一旦试样产生颈缩，由于颈缩区域的横截面积迅速缩幼，该区电阻和电流密度迅速增大，其温度很快高于均匀变形区(丈量点)的温度，加快了粉碎的进行，试样的最终整体变形量较幼，并且由于断口处组织温度超过现实设定，也会导致最终断口处组织出现 β 转变体；当热电偶位于断裂地位时，颈缩粉碎在指定的温度下持续进行，试样的最终整体变形量较大
。图 8 所示为在 0.001 s^?1 应变速度下拉伸试样的最大工程应力与最大工程应变随温度升高的变动情况，能够看出由于热电偶装置地位与试样产生颈缩粉碎地位的不一致，资料粉碎时测得的变形量相较于屈服强度的有较大的分散性，工程应变误差领域在 0.29 到 4.42 之间
。

由此可知，Gleeble 热仿照尝试可能部门代替炉中高温拉伸尝试，能较为正确的获得资料在高温下的屈服强度和抗拉强度的数值
。但其最大变形量的丈量误差较大，重要是由热电偶装置地位与试样产生颈缩粉碎地位的不一致所带来的
。

2.4 金相组织特点

观察应变速度 0.001 s?1，拉伸温度别离 800 ℃和1000 ℃下试样拉伸断口与邻近区域的金相组织图，如图 9 所示
。由图 9 可知，800℃试样在拉伸断口和其邻近区域出现两种组织的过渡：邻近区域处如图 9(a)示意图中的蓝色区域，藐幼的 α 相晶粒维持优良的等轴性，类似母材组织；而在断口处玄色区域的组织则出现了大量晶粒尺寸粗壮的 α 相晶粒，在此区域还能够观察到动态再结晶景象，有藐幼点状的初生 α 相天生和破碎的晶粒散布，如图 9(b)所示
。这注明TA7钛合金已经产生了部门区域的动态再结晶软化
。

当梦想温度为 1000 ℃时，试样中出现三种组织的过渡散布，除了图 9(c)示意图蓝色区域中类似母材的组织，离断口较近的灰色区域能够观察到长大变形的 α 相晶粒，如图 9(d)所示；在沿断口的玄色区域处观察有层片状 α 组织，重要源于高温拉伸时形成的 β相在空冷时产生马氏体相变，形成了集束针状魏氏组织，如图 9(c)所示
。此时再结晶后的晶粒长大已经成为TA7钛合金的重要软化机造
。

由此可见，温度的升高对TA7钛合金微观组织描摹拥有肯定的影响
。在 800 ℃和应变速度为 0.001 s^?1时，TA7钛合金的断口显微组织中能够观察到显著的动态再结晶和晶粒长大的景象
。在 1000 ℃，一样应变速度下，断口显微组织中有伴随 β 相变和大变形量而出现的片状 α 组织，软化作用较强
。

3 、会商

3.1 应变硬化指数 n

应变硬化指数 n 暗示板材在塑性变形中变形抗力对应变的变动强度[20]
。凭据 Hollomon 经验公式，选取下式拟合硬化区域：

式中：K 为强度系数，对无显著屈服点的真应力?真应变曲线，应变硬化区域应取弹性变形实现至峰值应力之间区域，通过线性拟合 ln s?ln e 得到的斜率即为 n的值，拟合曲线示意图如图 10 所示
。

由此能够获得 TA7 ELI 钛合金在分歧温度和应变速度下的应变硬化指数，如表 2 所列
。由表 2 可知，n值大的资料，应变硬化效应高，产生缩颈前依附硬化使资料均匀变形能力强，不会在变形量较幼的时辰过早产生部门塑性变形而出现颈缩，从而可实现较大和均匀的变形量
。

分析 n 值的拟合了局，发此刻 0.001 s^?1 的应变速度下其应变硬化景象随着温度升高而加强
。n 值在950 ℃最高为 0.236，在该前提下，适当的硬化可能有效的抑造颈缩，有望进一步产生超塑性变形
。随着应变速度的降低，n 值增大，资料更易在较高温度下进行均匀变形
。

3.2 应变速度敏感性指数 m

应变速度敏感性指数m 表征金属资料抵抗颈缩的能力，其大幼体现了流变应力随应变速度的变动而变动的剧烈水平
。m 值越高则资料抵抗颈缩发展能力强，有利于在软化阶段获得较大的伸长率
。因而凭据尝试了局，获取 m 值较大的温度区间，可作为资料产生高温大变形的加工温度区间
。

m 的界说式为：

由于资料在高温下变形的本构方程为：

式中：A 为常量；σ为应力；p 为晶粒指数；n 是应力指数，其值为 1/m；D0 为扩散因子；Q 为激活能
。当只有温度产生微幼变动时，能够将e^-Q/RT、应变速度和应力的对数等视为常量，由此可得到：

双方取对数，化简得 1
。

在真应力?应变曲线的不变变形阶段选择统一应变 e=0.4，取各应变速度 0.01、0.001 和 0.0005 s^?1 下此点对应的应力数据，绘造 ln s?ln e 曲线，其斜率即为m 值
。在温杜咨 900 ℃升到 950 ℃过程中，m 值显著增大，在 900 ℃以下 m 值幼于 0.3，而在 950 ℃出现最大的 m 值 0.45；1000 ℃时，m 值出现幼的回落
。

分析以为较大的应变速度会使试样高温软化更不充分，造成应力升高
。结合之前推导出的 1/m 与 ln T 所拥有的线性关系，拟合数据发现 m 与 1/ln T 的变动较切合线性法规
。得出 m 值的推算公式为：

m=17.44-121.48/lnT  ( 5 )

总之，在 TA7 超塑性变形中，位错塞积和晶粒长大导致的硬化和动态回复与再结晶导致的软化是同时进杏注相互竞争的，在最佳变形温度下试样的硬化和软化达到较好的平衡才获得较大的伸长率
。

4 、结论

1) 950~1000 ℃领域内，应变速度低于 0.001 s^?1时，TA7 ELI 钛合金高温拉伸会出现超塑性变形
。选取高温炉中拉伸尝试对了局进行了验证，伸长率最高可达 260%
。

2) Gleeble 高温拉伸尝试可能部门代替炉中高温拉伸尝试，获得资料的高温屈服极限和抗拉强度
。其变形量丈量误差较大是由于试样产生颈缩粉碎时的颈缩地位拥有随机性，与热电偶的装置地位有可能不一致
。

3) 变形温度对TA7钛合金微观组织描摹有较大的影响
。800 ℃时，TA7钛合金的显微组织中能够观察到显著的动态再结晶景象
。温度为 1000 ℃时，TA7钛合金微观组织中出现了粗壮的层片状 α 体，有相变景象，晶粒长大的软化作用较强
。

4)TA7钛合金应变硬化指数和应变速度敏感性指数都有随着温度升高而增大的变动趋向，在温度为950 ℃时，达到峰值别离为 0.236 和 0.45，此时，资料的伸长率也最大
。应变速度敏感性指数 m 与温度 T的拟合关系为：

m=17.44-121.48/lnT

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