孪晶强化高温合金的本构模型及其在冷拔加工中的应用

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MP35N高温合金由于其优越的高温强度和承温能力被广泛用来制备航空航天领域核心部件(如紧固件)。在实际应用中,MP35N高温合金通常需要通过冷拔变形引入稳定的微纳米孪晶结构来实现强化。因此,深入理解合金内部的变形孪晶演化和作用机理,发展基于孪晶强化机制的本构模型,对于优化冷拔工艺和生产高性能的部件至关重要。本文针对MP35N高温合金的孪晶变形和强化机制开展了实验表征以及力学本构建模方面的研究工作,进一步将本构模型应用于冷拔加工,以获取冷拔过程中位错密度、孪晶体积分数的演化与分布情况。在实验研究方面,本文开展了室温拉伸和微观组织表征实验,并分析了应变速率对拉伸性能的影响,表征了变形和强化机理。在本构模型研究方面,本文基于位错滑移和孪晶变形机制建立了MP35N高温合金的宏观小变形本构来准确描述变形过程中孪晶体积分数的演化以及加工硬化,特别地本文在模型中考虑了孪晶内部的滑移变形。通过将本构模型计算结果与实验数据对比,标定了材料参数并验证了所开发本构模型的准确性。本文进一步针对冷拔工艺,初步开展了有限元模拟分析,提取冷拔过程有限元模拟的应变历史数据,并将其作为三维本构方程的求解条件,计算给定应变历史情况下的内变量变化情况。本文的研究结果表明,MP35N合金在室温下应变率相关性较弱,应变硬化程度显著,塑性良好。SEM断口分析显示,拉伸后合金内部形成韧窝组织,属于剪切型韧性断裂,断裂方式不受应变率影响。EBSD扫描结果显示,拉伸后合金中存在微米级孪晶与形变织构。所建立的本构模型能够较好地描述室温下MP35N合金的流动行为。基于冷拔有限元模拟的本构计算结果表明,冷拔过程中坯料外表面附近应力集中程度较高,冷拔后形变最大位置所在截面,沿径向上,基体内位错密度和孪晶体积分数随半径的增加而增大,孪晶内位错密度几乎不增长。
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