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钛合金锻造过程变形—传热—微观组织演化的耦合模拟

熊爱明

  运用基础科学技术的研究成果与材料加工学科相结合,在计算机上实现对材料的成形过程、材料内部的微观组织演化及其与变形过程的交互作用规律、缺陷产生与否等过程进行计算或预测,有利于使热加工学科由偏于工艺技术逐步发展成为一门材料热加工科学。金属在高温下变形时材料内部的微观组织会经历一系列动态变化,微观组织的变化又影响材料的流动行为。正确理解不同变形条件下材料内部的微观组织演化及其与材料高温变形过程之间的交互作用、建立能反映微观组织演化过程影响的流变应力模型是实现材料变形过程的有限元变形—传热—微观组织演化耦合分析的基础,从而能充分考虑微观组织演化、传热过程和变形过程之间的交互作用,为合理确定材料的锻造加工工艺和控制锻件质量提供科学依据。本文对TC6钛合金的高温流变行为进行了系统研究,采用定量金相技术分析了变形工艺参数(包括变形温度、变形速度和变形程度)对材料内部微观组织参数(初生α相的晶粒尺寸和体积分数)变化的影响,并结合模糊数学和神经网络理论的优点,建立了TC6钛合金高温变形过程中微观组织演化的模糊神经网络模型,同时对该模型的可靠性进行了测试。测试结果表明所建立的模糊神经网络模型预测精度高,具有良好的稳定性和抗干扰能力。以TC6钛合金高温变形的应力—应变曲线的特征分析为基础,提出了一种建立材料流变应力模型的新方法。该方法的基本思路是先建立金属材料在高温变形过程中的稳态流变应力模型,然后引入一个和微观组织参数相关的函数对稳态流变应力模型进行修正,从而实现对金属在整个高温变形过程中的流变行为进行描述。该模型即考虑了变形过程中起支配作用的微观组织演化过程的影响,又仅以流变应力、等效应变、等效应变速率和变形温度为基本变量,使用方便,因而实用价值高。将本文建立的反映变形—传热—微观组织演化交互作用关系的流变应力模型耦合到有限元程序中,对钛合金盘的模锻成形过程进行了变形—传热—微观组织演化耦合模拟。研究了变形工艺参数包括变形温度、变形速度和变形程度对变西北工业大学博士学位论文形过程中等效应力、等效应变和温升的影响,对模锻成形过程的微观组织变化进行了计算。最后对比分析了热模锻造和等温锻造工艺对成形过程及微观组织演化的影响的异同。本文实现了TC6钦合金盘的等温锻造,对盘件进行了定量金相分析,并将分析结果与相对应工艺方案的数值模拟结果进行了对比。研究结果表明,本文的微观组织演化模型的预测精度总体能控制在20%左右,预测结果一般要稍低于实验结果,但微观组织参数在工件内部的分布规律基本一致,表明本文建立的TC6钦合金高温变形过程中的微观组织演化模型和流变应力模型具有较高的可靠性和稳定性,从而验证了本文提出的新型流变应力模型的建模方法是合理的。……