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TB8合金热变形组织介观尺度研究与模拟

段园培  
【摘要】:热变形显微组织演变的计算机模拟技术为材料显微组织及其性能的预测和控制提供了新的途径,促进了材料热塑性加工技术由“技艺”走向“科学”,成为国际上金属塑性成形行业近年来的研究热点之一。本文从介观尺度出发,围绕新型亚稳β型钛合金—TB8合金的热变形组织展开,综合运用现代塑性加工学、金属学、有限元方法、晶体塑性理论、元胞自动机方法等多种现代科学技术,对TB8合金形变及固溶处理后显微组织的演变进行系统研究,模拟了合金的静态再结晶行为,取得了一些有意义的结论。这对于热加工工艺方案的合理制定,促进TB8合金的发展与实际应用具有极为重要的理论价值和实际意义。 本文基于Gleeble-1500型热模拟机上进行的等温恒应变速率压缩试验以及后续的固溶处理试验,研究了TB8合金的热变形行为,并采用双曲正弦形式的流变应力模型来描述合金的流变行为。在获得的形变组织及固溶处理后的显微组织金相照片的基础上,定性、定量分析了变形温度、应变速率和变形程度对TB8钛合金形变组织及固溶处理后显微组织的影响规律。采用人工神经网络模型建立了TB8合金固溶处理后显微组织再结晶体积百分数、平均晶粒尺寸与变形工艺参数间的预测模型,预测结果与实测结果吻合较好,表明采用人工神经网络方法可以较为精确地预测TB8合金的显微组织随变形工艺参数变化而变化的情况,从而为TB8合金热加工工艺的制定及显微组织演变模拟提供更为科学的理论依据。 为了更好地理解TB8合金的热变形行为,采用电子背散射衍射(EBSD)技术对TB8合金的初始组织、形变组织和固溶处理后显微组织进行表征。结果表明TB8合金高温形变组织呈现出一定的形变不均匀性,这也是后续组织模拟从介观尺度塑性变形的不均匀性出发的根本原因。TB8合金部分再结晶组织晶粒取向均表现出较强微织构,动态再结晶的形核及长大与亚结构的演变关系极为密切。静态再结晶的发生使得形变结构有效减少,织构明显减弱,静态再结晶品粒不具有择优取向。 基于正常长大的元胞自动机方法建立了TB8合金的初始组织,在宏观热力耦合模拟及EBSD洲试获得初始组织品粒取向的基础上,建立了晶体体塑性有限元模拟模型,对介观尺度上TB8合金的热塑性变形进行数值计算。分析了应力、应变场和形变储能场分布的特点,并讨论了塑性变形过程中滑移系的开动情况。结果表明基于晶体塑性有限元方法可以获得形变储存能分布以用于定量表征塑性变形的不均匀性,从而为后续再结晶组织模拟提供物理基础。 基于形变不均匀性对再结晶行为影响的考虑,将晶体塑性有限元与介观尺度元胞自动机万法相结合,建立了描述TB8合金再结晶的介观尺度模拟模型,对TB8合金再结晶行为进行可视化模拟。首先提出一种基于加权平均的线性插值方法实现晶体塑性有限元畸变单元积分点上的形变储存能等结果到元胞自动机的规则网格中的数据传递,在此基础上,建立了再结晶晶粒形核和生长模型,从而在模型中恰当地考虑了形变不均匀性,使得模拟具有较好的物理基础。将模拟结果与实验结果进行对比,结果表明,本文所建立的晶体塑性有限元与元胞自动机耦合模型对再结晶组织进行模拟可以获得统计等效的显微组织,与实际的组织演变物理机制是相符的,模型是可靠的,这对于优化工艺过程、控制产品质量和指导生产具有重要意义。


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