哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
为了满足当前航空航天领域对飞行器在复杂使役环境下具有高推重比、轻量
化等需求，开发兼具较高比强度与良好塑性的国产紧固件用近β钛合金成为了目
前的研究热点。通常来说，合金在发生高温变形的过程中，除了加工硬化以外，还
存在复杂的动态软化现象，如果控制不当，可能会产生不均匀的显微组织，达不到
使用要求。因此，本文的主要研究方向为通过合金元素调控，设计一种具有良好热
加工性能的近β钛合金成分，并结合Gleeble-热模拟进行等温热压缩实验分析应力
应变关系。通过构建材料的流变应力本构模型以及构建合金的热加工图，对所设计
合金成分在不同热加工参数下的热变形行为进行分析和预测，并结合微观组织研
究演变过程。利用Deform-3D有限元软件模拟仿真，探究合金热变形的动态再结
晶行为，最终为后续的紧固件热加工工艺提供技术支撑与理论指导。
通过Mo当量计算，设计出近β钛合金范围的合金基体成分Ti-4Al-6Cr-5Mo-
5Nb，并通过添加质量分数为0.4~2.0wt.%的合金元素Ta进行组织调控。研究发
现，基体中并没有新相形成，且随着Ta含量的增加，β相明显增多，β晶粒直径
从2.1mm减小到0.4mm，α相有逐步粗化的趋势，在添加1.6wt.%的Ta元素时，
抗拉强度和断裂韧性分别达到了735MPa和55MPa·m1/2的峰值。
通过Gleeble-1500热模拟试验机对塑性最佳的合金成分Ti-4Al-6Cr-5Mo-5Nb-
1.6Ta进行了等温热压缩实验，设计热变形参数为温度850℃~1000℃，应变速率
为0.001s-1~1s-1。获得了合金的应力-应变曲线并进行了摩擦力修正，分析发现，修
正后的曲线更加平滑，峰值更加明显，能更清楚地反映动态再结晶过程的发生，同
时，流变应力的平均值普遍减小2%~3%。另外，随着温度由850℃升高至1000℃，
合金的峰值应力普遍降低了40%左右，而随着应变速率由0.001s-1增大至1s-1，合
金的峰值应力普遍涨幅65%左右。另外，通过线性拟合的方式，构建了合金的
Arrehenius型本构方程。
基于动态材料(DMM)模型，结合Prasad等人提出的耗散量及耗散协量理论，
构建了合金成分Ti-4Al-6Cr-5Mo-5Nb-1.6Ta的热加工图，并结合热压缩后试样截面
的显微组织进行了分析，发现最适宜热加工的参数区间为：温度为850℃~875℃、
应变速率为0.001s-1；温度为900℃~960℃、应变速率为0.001s-1~0.01s-1。在这
两种加工区内发生热变形会发生充分的动态再结晶，获得均匀的等轴晶组织。
建立了Ti-4Al-6Cr-5Mo-5Nb-1.6Ta的Avarmi型动态再结晶统计学模型，并通
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过Deform-3D软件实现了仿真模拟，结果表明，试样在压缩变形过程中存在着难
变形区和大变形区，动态再结晶通常集中于大变形区，随着温度的升高，动态再结
晶发生更充分，随着应变速率的升高，动态再结晶发生越不完全，与实验结果实现
了互相印证。
关键词：近β钛合金；合金成分调控；热变形行为；Deform-3D数值模拟
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Abstract
Inordertomeetthecurrentneedsoftheaerospaceindustryforaircraftwithhigh
thrusttoweightratioandlightweightincomplexserviceenvironments,domestic
fastenerswithhighspecificstrengthandgoodplasticityhaveb