一种TiN合金变形特性的表征方法

一种tin合金变形特性的表征方法
技术领域
1.本发明涉及钛合金材料加工制备技术领域，尤其涉及一种tin合金变形特性的表征方法。


背景技术：

2.钛被称为仅次于钢和铝的“第三金属”，钛及钛合金具有良好的性能如高比强度、优异的耐腐蚀能、抗高温、无磁性等，已经在航空航天、汽车、能源等行业得到了广泛应用。钛合金通常通过热加工成形的方式进行零部件的制备，钛元素化学性能活泼，在合金熔炼及热加工成形过程中会与空气中的氮元素等发生反应形成tin夹杂。在钛及钛合金零部件的使用过程中，tin夹杂会成为裂纹源，缩短部件使用寿命。发动机轮盘被定义为航空发动机的断裂关键件，其结构完整性危及到整机飞行安全。为此，适航条例规定了“限寿”件必须进行适当的损伤容限评估，以确定在零件的批准寿命期内，不会由于材料、制造和使用引起的缺陷导致潜在失效。
3.由于tin合金硬度大，熔点高，在变形过程中受变形参数的影响较小，变形特征数据具有一定的分散性，无法通过传统的变形激活能q和变形参数之间的函数关系及zener-hollomon参数方程进行tin合金变形特性表征，了解和理解钛及钛合金中tin夹杂的特性成为非常迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种tin合金变形特性的表征方法，可以准确的预测一定变形条件范围内的tin合金的有效应变值和断裂强度，实现材料变形特性的表征。
5.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种tin合金变形特性的表征方法，
6.确定tin合金的弹性模量；
7.获得tin合金样品变形过程中的应力-应变数值；
8.通过tin合金的损伤变量与应变的一一对应关系确定tin合金变形过程中的损伤本构方程；
9.预测tin合金一定变形条件范围内的材料失效临界应变值，并将此应变值带入tin合金变形过程中的损伤本构方程，求得tin合金在一定变形条件范围内失效时的损伤变量；
10.根据预测的材料失效临界应变值，确定tin合金在一定变形条件范围内的有效应变范围；
11.根据获得的tin合金一定变形条件范围内失效时的损伤变量和弹性模量以及损伤材料弹性本构方程，预测tin合金在一定变形条件范围内的断裂应力。
12.优选地，tin合金变形条件包括但不限于变形温度、应变速率。
13.优选地，所述tin合金的弹性模量根据gb/t 22315-2008《金属材料弹性模量和泊
松比试验方法》的要求，将tin合金样品加工成符合试验标准的试样，在符合试验条件的环境、设备和测试人员的情况下测得。
14.优选地，所述通过tin合金的损伤变量与应变的一一对应关系确定的tin合金变形过程中的损伤本构方程，如下公式所示：
15.d＝a1+(a
1-a2)/(1+(ε/b)n)
16.其中，d为损伤变量，ε为tin合金变形过程中的应变，a1、a2、n和b为tin合金的损伤变量和应变函数方程的拟合参数。
17.优选地，所述tin合金变形过程中的应变ε通过tin合金的瞬时伸长量除以瞬时长度得到。
18.优选地，所述通过tin合金的损伤变量与应变的一一对应关系确定的tin合金变形过程中的损伤本构方程，如下公式所示：
19.d＝a1+(a1–
a2)/(1+(ε/b)n)
20.其中，d为损伤变量，ε为tin合金变形过程中的应变，a1、a2、n和b为tin合金的损伤变量和应变函数方程的拟合参数；
21.优选地，所述方法通过将损伤本构方程中的损伤变量与应变值进行拟合确定拟合参数a1、a2、n和b。
22.优选地，所述方法还根据tin合金一定变形条件范围内的材料失效临界应变值获得tin合金变形过程中的有效应变范围，确定tin合金的加工窗口。
23.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种tin合金变形特性的表征方法，提出一种tin合金变形过程中的损伤本构方程，可以利用损伤变量作为媒介与应变建立函数关系，然后通过损伤变量去表征tin合金变形过程中的应力-应变关系，可以准确的预测一定变形条件范围内的tin合金的有效应变值和断裂强度，从而更加真实的描述tin合金在变形过程中的特性。该方法决了无法通过传统的变形激活能q和变形参数之间的函数关系及zener-hollomon参数方程进行tin合金变形特性表征问题，从而更加真实的描述tin合金在变形过程中的特性，对推动我国航空航天领域得持续发展具有重要的意义。
附图说明
24.图1为本发明实施例提供的一种tin合金变形特性的表征方法的流程图；
25.图2为本发明实施例提供的tin合金损伤变量与应变的对应关系图；
26.图3为本发明实施例提供的tin合金变形特性损伤本构方程与试验结果拟合图；
27.图4为本发明实施例提供的tin合金断裂应力以与变形参数的函数关系图。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
29.本实施例以某tin合金样品为例，采用本发明的tin合金变形特性的表征方法对该tin合金样品的变形特性进行表征。
30.本实施例中，一种tin合金变形特性的表征方法，如图1所示，包括以下步骤：
31.步骤1、确定tin合金的弹性模量；
32.本实施例中，根据gb/t 22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》的要求，将tin合金样品加工成符合试验标准的试样，在符合试验条件的环境、设备和测试人员的情况。下测得该tin合金的弹性模量e＝207gpa。
33.步骤2、获得该tin合金样品变形过程中的应力-应变数值；
34.本实施例中，将tin合金样品在配有高温加热炉的电子万能拉伸机上进行高温热压缩试验，样品尺寸为ф4mm
×
6mm的圆柱。热压缩的温度为910℃，930℃，950℃，970℃，
35.变形量为20％，测试过程中升温速率为15℃/min，到温后保温30min，以保证测试样品受热均匀。根据tin合金的加工试验参数确定确定tin合金样品变形过程中应变的范围为0-0.2。
36.步骤3、通过tin合金的损伤变量与应变的一一对应关系确定tin合金变形过程中的损伤本构方程；
37.受tin合金本身特性的影响，tin合金在变形过程中的断裂强度对应变速率和变形温度变化不敏感，变形特征数据具有一定的分散性的特点，无法通过传统的变形激活能q和变形参数之间的函数关系及zener-hollomon参数方程进行tin合金变形特性表征。在单轴受力状态下，tin合金的应变本构关系可以从无损材料来导出，只要用tin合金损伤后的有效应力来取代无损材料本构关系中的名义应力即可。设定由于tin合金材料内部损伤，实际承担载荷的未受损的等效阻力体积为v1，损伤区的体积为v2，总体积(名义体积)为v，由v＝v1+v2，引入损伤变量d＝v2/v；
38.则根据如图2所示的tin合金的损伤变量与应变的一一对应关系确定tin合金变形过程中的损伤本构方程如下公式所示：
39.d＝a1+(a1–
a2)/(1+(ε/b)n)
40.其中，d为损伤变量，ε为tin合金变形过程中的应变，a1、a2、n和b为tin合金的损伤变量和应变函数方程的拟合参数，通过将损伤本构方程中的损伤变量与应变拟合得到；
41.本实施例中，将损伤本构方程中的损伤变量与应变值在origine软件中进行拟合处理得到，进而得到该tin合金样品的损伤本构方程如下公式所示：
42.d＝0.9714-78.844/(1+(ε/7.5313e-7
)
0.9024
)
43.步骤4、确定tin合金在变形温度为910℃-970℃范围内的材料失效临界应变值，并将该应变值带入tin合金变形过程中的损伤本构方程，求得tin合金在变形温度为910℃-970℃范围内失效时的损伤变量；
44.本实施例中，通过tin合金变形过程中瞬时伸长量除以瞬时长度得到tin合金样品变形过程中的材料失效临界应变值ε≈0.01；再将求得的材料失效临界应变值代入上述损伤本构方程，得到该tin合金样品在变形温度为910℃-970℃范围内失效时的d≈0.95。
45.步骤5、根据确定的tin合金在变形温度为910℃-970℃范围内的的材料失效临界应变值，确定tin合金在变形温度为910℃-970℃范围内的有效应变范围。
46.本实施例中，求取的tin合金的材料失效临界应变值ε≈0.01，确定tin合金在变形温度为910℃-970℃范围内变形的有效应变范围为0-0.01。
47.步骤6、根据确定的tin合金在变形温度为910℃-970℃范围内失效时的损伤变量，确定tin合金在在变形温度为910℃-970℃范围内变形过程中的断裂应力。
48.本实施例中，将求取的tin合金在变形温度为910℃-970℃范围内的损伤变量d≈
0.95和弹性模量e＝207gpa代入损伤材料弹性本构方程得到该tin合金在变形温度为910℃-970℃范围内的断裂应力约等于400mpa，损伤材料弹性本构方程如下公式所示：
49.σ＝eε(1-d)
50.其中，σ为tin合金的断裂应力。
51.本实施例中，tin合金在变形温度910℃，930℃，950℃，970℃，下进行压缩实验所得到应变值和损伤变量的对应关系与tin合金样品的损伤本构方程如图3所示，拟合率大于90％。本实施例中，如果将tin合金样品在配有高温加热炉的电子万能拉伸机上进行高温热压缩试验，热压缩的温度为910℃，930℃，950℃，970℃测试过程中升温速率为15℃/min，到温后保温30min，以保证测试样品受热均匀，则tin合金的断裂强度与变形参数之间的关系如图4所示，从图中可以看出在变形温度为910℃-970℃范围内tin合金的断裂强度具有一定的分散性，无法建立变形激活能q与变形参数之间的函数关系，无法构建传统的zener-hollomon参数本构方程。
52.因此，通过对比可以发明，本发明方法利用损伤变量与应变建立函数关系，然后通过损伤变量去表征tin合金变形过程中的应力-应变关系，可以准确的预测一定变形条件范围内的tin合金的有效应变值和断裂强度，从而更加真实的描述tin合金在变形过程中的特性。对比试验结果表明，本发明方法采用的损伤本构方程优于传统的zener-hollomon参数方程，同时能够更加准确、具体的表征tin合金的变形过程。
53.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

技术特征：
1.一种tin合金变形特性的表征方法，其特征在于：确定tin合金的弹性模量；获得tin合金样品变形过程中的应力-应变数值；通过tin合金的损伤变量与应变的一一对应关系确定tin合金变形过程中的损伤本构方程；预测tin合金一定变形条件范围内的材料失效临界应变值，并将此应变值带入tin合金变形过程中的损伤本构方程，求得tin合金在一定变形条件范围内失效时的损伤变量；根据预测的材料失效临界应变值，确定tin合金在一定变形条件范围内的有效应变范围；根据获得的tin合金一定变形条件范围内失效时的损伤变量和弹性模量以及损伤材料弹性本构方程，预测tin合金在一定变形条件范围内的断裂应力。2.根据权利要求1所述的一种tin合金变形特性的表征方法，其特征在于：tin合金变形条件包括但不限于变形温度、应变速率。3.根据权利要求1所述的一种in合金变形特性的表征方法，其特征在于：所述tin合金的弹性模量根据gb/t 22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》的要求，将tin合金样品加工成符合试验标准的试样，在符合试验条件的环境、设备和测试人员的情况下测得。4.根据权利要求1所述的一种tin合金变形特性的表征方法，其特征在于：所述通过tin合金的损伤变量与应变的一一对应关系确定的tin合金变形过程中的损伤本构方程，如下公式所示：d＝a1+(a
1-a2)/(1+(ε/b)
n
)其中，d为损伤变量，ε为tin合金变形过程中的应变，a1、a2、n和b为tin合金的损伤变量和应变函数方程的拟合参数。5.根据权利要求4所述的一种tin合金变形特性的表征方法，其特征在于：所述tin合金变形过程中的应变ε通过tin合金的瞬时伸长量除以瞬时长度得到。6.根据权利要求4所述的一种tin合金变形特性的表征方法，其特征在于：所述方法通过将损伤本构方程中的损伤变量与应变值进行拟合确定拟合参数a1、a2、n和b。7.根据权利要求2-6任一项所述的一种tin合金变形特性的表征方法，其特征在于：所述方法还根据tin合金一定变形条件范围内的材料失效临界应变值获得tin合金变形过程中的有效应变范围，确定tin合金的加工窗口。

技术总结
本发明提供一种TiN合金变形特性的表征方法，涉及钛合金材料加工制备技术领域。本发明提出了一种适用于TiN合金的变形损伤本构方程，利用损伤变量与应变建立函数关系，采用损伤变量表征TiN合金变形过程中的应力-应变关系，可以更加真实的反应TiN合金的变形特性，预测一定变形条件范围内的TiN合金的有效应变范围和断裂应力。本发明采用的损伤本构方程优于传统的Zener-Hollomon参数方程，能够更加准确、具体的表征TiN合金的变形特性。具体的表征TiN合金的变形特性。具体的表征TiN合金的变形特性。


技术研发人员：吉海宾 杨兴远 蔡雨升 任德春 姜沐池 刘意 雷家峰 杨锐
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/13