[科普中国]-加工硬化指数

简介

TC2 合金是一种中等强度、高塑性近α 型钛合金，含有4%α 稳定元素和1.5%β 稳定元素Mn。该合金板材在热态和冷态下有较好的成形性， 具有较高的热稳定性，适合于制造如机翼、安定面、襟翼等受力的板材冲压件， 在350℃以下结构件可以工作2000 h，在航空航天工业中获得了广泛应用，尤其是大规格TC2 合金板可以减少焊缝数量，在航空工业中具有更迫切的需要。

在冲压加工中， 板材的硬化性能具有十分重要的意义，它不仅影响变形毛坯内应力的数值、应力的分布与变化和成形力等力能参数的数值， 而且也会影响应力, 进而影响冲压成形极限以及冲压件的质量。加工硬化指数n 值是与板有关的常数，它反映板料变形的强化能力和抗失稳的能力。n 值是以拉伸为主的材料成形性能的判据之一。

目前n 值的一些测量方法的测量结果存在较大偏差。尤其对于钛合金板料，系统研究n 值的测量及其影响的工作很少见诸报道。以TC2 钛合金板料为研究对象， 对不同制备工艺的钛板n 值测量及其变化规律进行研究1。

应变硬化指数n 值的测量原理采用GB/T5028-1999 金属薄板拉伸应变硬化指数(n 值)试验方法,以纯幂硬化关系R=kEn(k为硬化系数或称强度系数；R、E 分别为真应力和真应变；n 为硬化指数)近似表示材料的特性。对硬化关系式两边取对数，得出：logR=logk+nlogE。此关系式为直线关系，由此可求直线斜率n 值。

从试验所得的工程应力应变曲线所关心的区间中选取若干组试验值， 经过计算得到真应力与真应变，而后用通常的最小二乘法处理数据，拟合后得到硬化指数n 值1。

试验方法试验材料为0.8mm 厚冷轧TC2 薄板和0.8mm厚包套叠轧TC2 薄板。测定与轧制方向成0°和90°方向试样的n 值。采用单轴拉伸试样方法，利用引伸计对试样应变进行测量， 并绘制材料的应力—应变曲线。在均匀塑性变形阶段下，根据引伸计采集到的试样达到规定应变下数据， 利用n 值计算公式，计算出n 值，以评价材料的成形性能1。

钛合金薄板轧制工艺对加工硬化指数的影响取冷轧和包套叠轧TC2 薄板与板料沿轧制方向成0°和90°两个不同方向试样比较其n 值的差异。其中试样宽度10.0mm、厚度0.8mm。

对于冷轧0.8mm 厚TC2 合金薄板，在相同厚度、相同变形量下，n 值在90°方向，也就是薄板的横向平均值约为0.067， 而n 值在0°方向， 也就是薄板的轧向约为0.096， 横、纵向相差30%。而对于包套叠轧0.8mm 厚TC2 合金薄板，在相同厚度、相同变形量下，n 值在90°方向，也就是薄板的横向平均值约为0.119，而n 值在0°方向，也就是薄板的轧向平均值约为0.126，横、纵向相差5%。

应变硬化指数表征金属材料在塑性变形中的硬化强度，在同样变形程度下，n 值大的材料在一定程度上可以使变形均匀化， 而且还可以减少坯料的局部变薄和增大变形极限。从表1 可知，包套叠轧薄板的n 值在90°方向上比冷轧薄板提高了0.052，而在0°方向上比冷轧薄板提高了0.030。

加工硬化指数n 越大，则TC2 合金薄板开始发生颈缩时的最大应力越大，也决定了TC2 合金薄板能够产生更大的均匀应变量。应力—应变曲线上的应力达到最大值时即开始出现颈缩。在颈缩变形前沿整个试样长度是均匀的， 发生颈缩后变形则主要集中在局部区域，在此区域内横截面越来越细，局部应力越来越高，直至不能承受外加载荷而断裂。出现颈缩时正好相当于负荷—变形曲线上的最大载荷处，这就是出现颈缩的条件，即当加工硬化速率等于该处的真应力时就开始颈缩。未开始颈缩时，硬化作用较强，足以补偿因截面减小所引起的应力升高，而当加工硬化的能力已经失去或十分微弱时， 则会导致颈缩发生。

包套叠轧制备出的TC2 合金薄板的n 值比冷轧薄板的n 值有所提高，而且n 值在横、纵两个方向上接近，表明采用包套叠轧工艺制备出的TC2 合金薄板，其冷成形均匀性较好。而冷轧制备出的TC2合金薄板的n 值在与板料轧制方向成0°和90°两个不同方向上存在明显差异,说明冷轧TC2 合金薄板具有明显的各向异性2。

总结(1) 采用GB/T5028-1999 试验方法对不同轧制工艺的TC2 钛合金薄板n 值进行了测量。

(2) 冷轧TC2 合金薄板的n 值在与板料轧制方向成0°和90°方向上存在明显差异， 说明冷轧TC2合金薄板具有明显的各向异性。

(3) 包套叠轧TC2 合金薄板的n 值比冷轧薄板的有所提高，而且n 值在横、纵两个方向上接近，表明采用包套叠轧的TC2 合金薄板，其冷成形均匀性较好3。