锻造过程中失稳变形组织和动态再结晶变形组织的模拟与预测研究

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失稳变形组织和动态再结晶变形组织是锻造过程中最常见的变形组织,对锻件的可加工性起到决定性作用,而金属的可加工性包括内禀可加工性和应力状态可加工性两方面。基于动态材料模型(DMM)的加工图技术可以得到特定变形组织的热力参数范围,实现对变形组织类型的预测,能够优化材料的内禀可加工性,但优化的热力参数范围是变形体内部的热力参数,很难直接应用于实际锻造过程中的变形组织预测;利用有限元技术可以得到特定变形条件下的锻件内部热力参数场变量,能够优化材料的应力状态可加工性,但难以对变形组织进行模拟与预测。因此,将加工图和有限元技术相结合,可以实现从内禀可加工性和应力状态可加工性两方面对锻造过程中失稳变形组织和动态再结晶变形组织进行模拟与预测,这对获得组织、性能优良的无缺陷锻件具有重要的指导意义和实用价值。  本文通过对Deform3D有限元软件的二次开发,分别将失稳图和功率耗散图确定出的失稳变形组织和动态再结晶变形组织的热力参数边界条件导入到Deform3D有限元软件中,使加工图技术和有限元技术得到了有效结合,这为实现对锻造过程中失稳变形组织和动态再结晶变形组织的模拟与预测提供了一种有效的方法。该方法有效发挥了加工图技术能够得到特定变形组织的热力参数范围以及有限元技术能够得到特定变形条件下的锻件内部热力参数的功能,克服了加工图技术优化的热力参数不能直接用于指导实际锻造生产,而有限元技术难以从变形组织方面优化变形条件的不足。  利用二次开发后的Deform3D有限元软件对TC11钛合金在900℃,0.001s-1、900℃,0.01s-1和900℃,1s-1时热压缩过程中的失稳变形组织演变规律进行了模拟和预测。结果表明:在900℃,0.001s-1压缩时,试样在整个压缩过程中未出现失稳变形组织,整个压缩试样各部位的温度、等效应变速率、等效应力等场变量分布比较均匀,并且各部位的热力参数在整个压缩过程中都处于稳定变形组织窗口;在900℃,0.01s-1压缩时,试样首先在试样中部中心和端部外圆周处出现失稳变形组织,并随着变形的进行,失稳变形组织区域逐渐扩大,至压缩结束时整个试样均为失稳变形组织;在900℃,1.0s-1压缩时,试样的所有区域在整个压缩过程中均为失稳变形组织,在压缩过程中,试样内部产生大量变形热,各区域的温度和等效应变速率差值较大。  利用二次开发后的Deform3D有限元软件对TC11钛合金在1020℃,0.1s-1、1050℃,0.1s-1、1050℃,10s-1时热压缩过程中的动态再结晶变形组织演变规律进行了模拟和预测。结果表明:在1020℃,0.1s-1压缩时,试样首先在中部中心处出现动态再结晶变形组织,并不断从中部向外扩展,至压缩结束时,只有试样端部没有出现动态再结晶变形组织,压缩试样的温度、等效应变速率和等效应变在压缩过程中都分布均匀;在1050℃,0.1s-1压缩时,试样首先在中部中心处出现动态再结晶变形组织,并随着变形的进行,动态再结晶变形组织区域不断扩大至整个试样;在1050℃,10s-1压缩时,试样的所有区域在整个压缩过程中均为非动态再结晶变形组织,且在压缩过程中,试样内部的温度逐渐升高,各区域变形不均匀。  通过对压缩试样内部热力参数场变量的分析以及对压缩试样微观组织的观察,验证了模拟结果的可靠性。这说明本研究提出的将失稳图确定的失稳变形组织热力参数边界条件以及功率耗散图确定的动态再结晶变形组织热力参数边界条件与有限元技术相结合的方法对模拟与预测金属变形过程的失稳变形组织和动态再结晶变形组织是正确可行的。
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