加工硬化指数英文名即hardening index。该指数由
真应力应变关系定义,指金属薄板成形时真应力S一真应变ε关系式中的幂指数n,关系式如下:S = Kε^n,式中K为强度系数。
硬化指数n值对
板材成形极限曲线具有明显的影响,n值大材料的成形极限曲线高,n值小材料的成形极限曲线低。板材的
拉胀性能在很大程度上取决于材料的n值,n值高时,拉胀性能也好。因此,硬化指数n值是评价板材成形性能的重要
指标之一。
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。
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。
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。
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。
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。