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Inconel 718 合金是时效强化的铁镍基高温合金, 具有优良的综合性能, 是应用最为广泛的高温合金之一。与 Inconel 718 合金热变形有关的研究领域非常活跃, 但是关于合金冷变形方面的研究却较少。Inconel 718 合金管材用于制造航空、航天和核工业等领域中的某些关键部件, 而其生产离不开冷加工变形, 所以, 有必要对合金的冷变形行为进行研究。研究合金的冷变形, 首先遇到的就是加工硬化问题。了解合金的加工硬化特性, 对于确定合金冷变形工艺有重要意义。因此, 采用准静态拉伸试验, 即在常温、应变速率≤10 - 1 / s 的干燥空气条件下的拉伸试验, 研究 Inconel 718 合金的加工硬化特性, 为确定 Inconel 718 合金管材冷变形工艺提供参考和依据。 实验方法 采用真空感应炉熔炼加真空自耗炉重熔双联工艺冶炼的优质 Inconel 718 合金, 化学成分见表 1。拉伸试样分别在退火态和冷拔态的管材上截取。退火制度为 1030℃ , 保温 30min, 水冷。冷拔变形量为30% 。然后用光学显微镜观察试样的原始组织。管材的原始组织是单一的奥氏体, 退火态试样的平均晶粒直径为 70μm, 有少量的 NbC 颗粒弥散分布。冷拔态试样的组织中, 晶粒明显被拉长, 晶界变平直, 晶粒内部出现了形变带。  拉伸试验在 MT S810 型试验机上完成, 试验方法执行 GB/ T228 规定。由于较低温度塑性变形时,材料只对应力变化敏感, 对应变速率变化不敏感, 所以试验过程应变速率选定为 10 - 1 / s。试验时, 利用“纵向”引伸仪跟踪变形, 记录下从开始变形 到断裂之间连续的位移和载荷值, 然后作出真应力- 真应变曲线, 再通过数学模型拟合曲线得到唯象方程式, 根据方程式找出表征材料加工硬化特性的参量。 真应力- 真应变曲线 Inconel 718合金退火态和冷拔态管材试样室温拉伸试验得到的真应力- 真应变曲线分别见图 1( a) 和图 1( b) 。从图 1 可以看出, Inconel 718 合金无论在退火态还是冷拔态, 室温变形时都产生明显的加工硬化。Inconel 718合金室温拉伸的真应力-真应变曲线为弹性- 均匀塑性型, 初始部分为弹性变形阶段, 曲线为直线段, 直线段的斜率很大, 然后是均匀塑性变形阶段, 曲线为抛物线型。现有的试验结果表明 , 面心立方晶体典型的加工硬化曲线分为易滑移、多滑移和交滑移 3 个阶段。多晶体由于晶粒的协调变形第 1 阶段不会出现, 所以 Inconel 718 合金的加工硬化曲线只表现为后两个阶段。弹性阶段发生在极小的应变范围内, 真应力-真应变关系是正比的直线关系, 基本符合虎克定律,即σ= Eε, 其中σ和ε分别为弹性应力和弹性应变,E为弹性模量。根据虎克定律, 求出直线的斜率,斜率值即为合金的弹性模量, 当应变速率为 10 - 1 / s时, E 值约为2.2×10 5 MPa。两种状态下的真应力- 真应变曲线中弹性阶段应变范围都很窄, 材料很快就进入塑性变形阶段。初始屈服后到断裂之前为均匀塑性变形的形变硬化阶段, 即抛物线硬化阶段。抛物线阶段真应力- 真应变关系一般采用 Hollomon 公式来表示, 即σ= Kεn , 其中σ和ε分别为塑性真应力和塑性真应变, 由于弹性应变一般很小, 所以塑性真应变可以用总应变来代替, n 为应变硬化指数, K 为强度系数, K 的值等于ε= 1时的真应力, K和 n 为表征材料形变硬化的参量。冷变形要求合金有一定的 n 值, 合金在颈缩之前的应变得以均匀化, 而不至于过早的发生局部集中变形使材料报废。  真应力- 真应变曲线的 Hollomon 公式拟合 用Hollomon 公式来拟合 Inconel 718 合金真应力- 真应变曲线的抛物线阶段, 对于退火态试样和冷拔态试样得到的两个拟合结果见图 2( a) 和( b) 。图2 中拟合曲线与试验曲线趋势基本相同, 但拟合值与试验值存在一定偏差。当应变速率为 10 - 1 / s 时,拟合得到退火态试样和冷拔态试样的真应力- 真应变方程式( 1)和式( 2) , 相关系数分别为 0.89 和 0.99。 σ= 1894ε0.469(1) σ= 2487ε0.153(2) 从试验结果可以看出, 退火态和冷拔态的Inconel 718 合金加工硬化过程基本上遵从抛物线硬化规律。退火态 Inconel 718 合金的 n 值接近 0.5,说明退火态合金具有较好的冷变形塑性。冷拔态合金强度增大, n 值减小为 0.153, 这就限制了材料变形量的上限。  真应力- 真应变关系的 Voce 模型拟合 从部分的拟合结果可以看出, 用 Hollomon公式描述的退火态合金真应力- 真应变关系的拟合方程式的相关系数只有0.89, 冷拔态合金的拟合结果也存在偏差。因此, 对 Inconel 718 合金真应力-真应变曲线的抛物线阶段进行进一步分析, 得到的结果见图 3( a) 和( b) , 图 3 中拟合曲线与试验曲线基本重合。退火态试样和冷拔态试样真应力- 真应变关系曲线的抛物线阶段经数学拟合得到的更为精确的方程( 3) 和式( 4) , 相关系数均大于 0.99。  σ= 3941- 3571exp[ (-ε/ ε1 )] (3) σ= 1400- 284exp[- (ε- 0.0084)/ε1 ] (4) Inconel 718合金在室温拉伸条件下的真应力-真应变关系方程式符合 y = y 0 + a 1 exp[ - ( ε-ε0 )/ε1 ] 函数形式, 方程的形式与Voce 模型相似。Voce 模型是一个与工程合金特别是商业用纯铝数据符合较好的经验公式, 公式中的诸参数为给定材料的常数。与之相对应的, Inconel 718 合金的真应力- 真应变关系方程式中的各个参数也是合金的常数。公式中 y 0 为合金加工硬化曲线第 3 阶段饱和应力值, a 1 由 y 0 和第 3阶段起始应力值( 屈服应力值)的代数和决定,ε0 和ε1 与合金原始状态有关。各参数的本征含义和 Inconel 718 合金形变微观机制还需要更深入的试验来研究。上述方程式对于研究合金室温塑性变形尤其是计算机模拟过程有重要的应用价值。比如, 应用拟合结果作为合金室温变形过程的本构关系式, 可以对合金塑性变形的塑性功进行分析。塑性变形功为合金加工硬化曲线以下的面积。对合金真应力- 真应变关系式进行数学积分即可得到。根据试验测得的数据计算出退火态 Inconel 718 合金在 40% 冷变形时的塑性变形功为3.63×10 8 J·m - 3 。 结论 准静态拉伸试验得到的 Inconel 718 合金的弹性模量为2.2×10 5 MPa。退火态合金和冷拔态合金的加工硬化规律基本符合 Hollomon 公式, 硬化参数 K 和n 分别为 1904, 0.153 和 2487, 0.476。塑性变形阶段的加工硬化规律与 Voce 模型相似。作为室温形变过程中的本构关系, 计算出退火态合金的塑性功约为 3.63×10 8 J∃m - 3 。 |
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