1前 言

Inconel751合金是一種以Ni-Cr為基，以γ'-Ni?(Al,Ti)為主要強化相的鎳基變形高溫合金，是早期發(fā)展的鎳基高溫合金Inconel X-750合金的改進(jìn)型。與Inconel X-750合金相比，主要差別是In-conel751合金中增加了Al的含量，從而提高了合金的持久強度，可使工作溫度達(dá)870℃。國外已經(jīng)大量使用Inconel751合金作為排氣閥材料，國內(nèi)也開始對Inconel 751合金的組織性能和加工工藝開展研究。本論文通過在Gleeble-1500熱模擬機上采用圓柱體高溫單道次壓縮試驗，對Inconel 751合金流變應(yīng)力進(jìn)行研究，分析其高溫變形時流變應(yīng)力的變化規(guī)律，為生產(chǎn)中制定合理的熱加工工藝提供理論依據(jù)。

2試驗條件及方法

Inconel751合金采用真空感應(yīng)爐冶煉，經(jīng)鍛造制成φ16mm～18mm的棒材，再加工成φ8mm×15mm試樣，在Gleeble-1500熱模擬機上進(jìn)行壓縮試驗，試驗用合金的化學(xué)成分見表1。壓縮過程中，在圓柱體試樣兩端加放鉭片，以減少摩擦對應(yīng)力狀態(tài)的影響。試驗溫度為：980℃、1030℃、1080℃、1100℃、1130℃、1150℃、1180℃、1200℃,變形速率為：0.005s?1、0.01s-1、0.05s-1、0.1s-1、

1.0s-1、10.0s-1、20.0s?1,應(yīng)變量為1.0。熱模擬試驗的升溫速率為10℃/s,保溫時間為5min,變形完成后立即對試樣水淬。

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3試驗結(jié)果與分析

3.1?真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

整理Gleeble-1500高溫壓縮試驗所得數(shù)據(jù)，采用Origin6.0軟件做出相同溫度、不同應(yīng)變速率，相同應(yīng)變速率、不同溫度下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線，平滑后得圖1和圖2,其中σt為真應(yīng)力，單位為MPa,εt為真應(yīng)變。

3.1.1?變形溫度的影啊

Inconel 751合金在不同變形溫度、同一應(yīng)變速率下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(見圖1),可以看出，熱壓縮變形過程中發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶[2],在同一變形條件下，隨著變形的增加產(chǎn)生加工硬化，這是由于隨著變形量增大，位錯不斷增殖，位錯間的交互作用又增大了位錯運動的阻力，從而呈現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。超過某一形變量后，變形儲存能成為再結(jié)晶的驅(qū)動力，再結(jié)晶可以消除或改變原來的變形織構(gòu)，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶軟化，當(dāng)軟化速率與硬化速率平衡時，流變應(yīng)力達(dá)到最大值；隨后隨著動態(tài)再結(jié)晶的進(jìn)行，軟化速率大于硬化速率，應(yīng)力逐漸下降；當(dāng)發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶后，其晶粒組織和流變應(yīng)力不隨變形量變化，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)變形階段。當(dāng)應(yīng)變速率相同時，變形溫度越高，合金的流變應(yīng)力越低，這是由于隨著溫度升高，滑移系的臨界切應(yīng)力下降，合金的變形抗力降低。

3.1.2?變形速率的影響

在同一溫度下，不同變形速率的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，Inconel 751合金熱壓縮變形時，同一變形溫度下，應(yīng)變速率越低，相同變形量、所對應(yīng)的真應(yīng)力越小。再結(jié)晶由形核、長大過程組成，形核是個熱激活過程，在低應(yīng)變速率條件下，變形組織有較長的時間形核長大，核心形成的幾率增加，因而再結(jié)晶更容易進(jìn)行，流變應(yīng)力更小。從圖2可以明顯看出，同一變形溫度下，變形速率越低，峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變越小，這是由于變形速率較低時，再結(jié)晶形核的時間較長，形核量數(shù)量多，所以再結(jié)晶軟化的作用強于加工硬化的作用。

3.2熱變形流變應(yīng)力方程

熱變形過程中，材料的高溫流變應(yīng)力σ主要取決于變形溫度T和應(yīng)變速率ε。Zener和Hollomon在1944年提出并試驗σ-ε證實了確定鋼在高速拉伸試驗條件下流變應(yīng)力的一種方法，提出Z參數(shù)的概念[3]。其物理意義是溫度補償?shù)淖冃嗡俾室蜃樱蕾囉赥,而與σ無關(guān)；Q是熱變形激活能，它反映材料熱變形的難易程度，也是材料在熱變形過程中重要的力學(xué)性能參數(shù)。如果知道函數(shù)關(guān)系Z=f(σ),或者更確切地說，已知與試驗結(jié)果相符的經(jīng)驗公式Z=f(σ),便可以測定與σ無關(guān)的熱變形激活能。該方法有自調(diào)節(jié)功能，即材料常數(shù)的近似值已包含在Z=f(σ)式中，由該公式確定的Q值又反過來進(jìn)一步精確材料常數(shù)值[4]。

研究表明，熱加工參數(shù)Z可由以下兩種形式表示[5]:

其中e為應(yīng)變速率，Q為表觀形變激活能，與應(yīng)力幾乎無關(guān)，R為氣體常數(shù)，T為變形溫度，a,為峰值應(yīng)力，k、β為常數(shù)，n為應(yīng)力指數(shù)。式(1)適用于熱變形時應(yīng)力較大的情況，式(2)適用于熱變形時應(yīng)力較小的情況，根據(jù)試驗結(jié)果，對于In-conel751合金選用式(1)。

將式(1)兩邊取對數(shù)可得

由最小二乘法原理，可以推出b、b?必須滿足下面的方程組[6]:

Inconel751合金高溫壓縮變形試驗得到不同溫度和變形速率下的峰值應(yīng)力如圖3所示。

將圖3數(shù)據(jù)代入到上述模型中，使用Origin6.0軟件進(jìn)行計算和分析，可以解得：

a=-691.2956

b?=31.3415

b?=1.236832×106

經(jīng)轉(zhuǎn)換計算可得

β=0.0319,k=3.7946×109

變形激活能

Q=328.10kJ/mol

代入數(shù)據(jù)計算可得：R相關(guān)=0.9671,故所得回歸方程比較理想。

將回歸所得參數(shù)代回式(1),可以得到Z參數(shù)的表達(dá)式為

Z=εexp(39463.01/T)?(7)

Z=3.7946×10?exp(0.0319σ,)?(8)

將結(jié)果代入式(5)得到Inconel751合金熱壓縮變形時的流變應(yīng)力方程為

σp=31.3415Inε+1.236832×10?·(1/T)—691.30?（9）

根據(jù)式(9),同一變形溫度，變形速率越高，峰值應(yīng)力越大；同一變形速率，溫度越高，峰值應(yīng)力越小，這與本試驗所得數(shù)據(jù)和曲線一致。

4結(jié) 論

1)?Inconel751合金在變形溫度為980℃～1200℃、應(yīng)變速率為0.005s-1～20.0s?1時，發(fā)生了明顯的動態(tài)再結(jié)晶。在不同變形條件下，應(yīng)變速率保持不變時，變形溫度越高，穩(wěn)態(tài)變形階段的流變應(yīng)力越低，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量越小；變形溫度保持不變時，應(yīng)變速率越低，穩(wěn)態(tài)變形階段的流變應(yīng)力也越低，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量越小。

2)用Zener-Hollomon參數(shù)的雙曲對數(shù)函數(shù)形式能較好的描述Inconel751合金高溫變形時的流變應(yīng)力方程，獲得的Inconel751合金Z參數(shù)和應(yīng)力的表達(dá)式分別為Z=εexp(39463.01/T)Z=3.7946×10?exp(0.0319σ,)a=31.3415lnε+1.236832×10?·(1/T)-691.30。

3)Inconel 751合金熱變形激活能：Q=328.10kJ/mol。