金屬材料微觀組織演變計算方法及在熱成型中的應用.pdf

1、金屬薄板熱沖壓成型技術是一種應用廣泛的熱塑性加工工藝，其主要應用于汽車車身，航空航天，裝備制造等零部件生產中。其中，熱成型零件的最終微觀組織構成和成型尺寸精度將決定零件的宏觀使用性能，準確的微觀組織演變預測和加工變形預測對成型工藝的設計至關重要。
　　微觀組織演變傳統(tǒng)的計算方法都是基于等溫轉變曲線(Time-Temperature-Transformation TTT)數(shù)據(jù)和疊加原理，這對部分材料微觀組織演變計算有效。而對于熱沖壓

2、用高強硼鋼(22MnB5)，其在慢速冷卻情況下，有多種微觀組織產生，對應的等溫轉變孕育期非常短，且難以測得，而相變孕育期對相變開始的判斷和相變過程計算影響很大，傳統(tǒng)的計算方法對于這類材料和加工工藝仿真計算精度不高。因此，對于熱沖壓過程仿真模擬，提高傳統(tǒng)組織演變計算方法的計算精度，尋求新型組織演變計算方法，并將組織演變計算模型運用到熱沖壓仿真計算中去，探索組織演變對熱沖壓仿真計算的影響，對于提高熱沖壓工藝仿真計算的精度有重要的工程意義。<

3、br>　　本文立足于數(shù)值計算方法，在金屬材料組織演變數(shù)值計算方面，展開了組織演變傳統(tǒng)的計算方法研究，并在前人研究工作基礎上，發(fā)展了組織演變新型計算方法;在金屬材料加載下力學響應數(shù)值計算方面，基于熱處理變形實驗和仿真計算，展開了涉及組織演變的力學響應模型的研究;最后，利用本文所建計算模型，分析和討論了實際的熱沖壓成型仿真計算過程。本文完成的研究內容如下所示:
　　(1)以熱沖壓成型用高強硼鋼(22MnB5)為實驗研究材料，基于實驗測

4、試結果，計算得出了擴散型相變的孕育時間;并在特殊溫度范圍，設置了鐵素體和貝氏體相變虛擬孕育時間，通過求解連續(xù)等速冷卻過程，確定了虛擬孕育時間;基于傳統(tǒng)的組織演變計算方法，在模型中考慮了相變孕育期對組織演變計算過程的影響，編寫了材料組織演變計算予程序(USDFLD)，計算了高強硼鋼在冷卻過程中組織演變過程。最后，本文開展了高強硼鋼端淬實驗，對比實驗和仿真結果表明:孕育時間對相變過程的計算作用很大，且計算模型能很好的預測高強硼鋼任意冷卻路徑

5、冷卻后的組織和硬度分布。
　　(2)基于連續(xù)冷卻轉變(Continuous Cooling Transformation CCT)曲線數(shù)據(jù)，構建并發(fā)展了微觀組織演變參數(shù)反求計算方法和直接求解任意冷卻過程的廣義計算方法。通過反求計算，獲得等溫轉變動力學參數(shù)，基于所求的等溫轉變動力學參數(shù)，能利用傳統(tǒng)的組織演變計算方法，計算任意冷卻路徑的相變過程;對于廣義計算方法，提出了相變孕育貢獻系數(shù)概念，其考慮了實際冷卻過程中當前溫度和當前冷卻速度

6、對廣義計算的影響，提高了模型計算精度，同時建立了相變過程廣義計算方法。最后，基于單相貝氏體鋼G17GrMo9-10為實驗材料，實驗驗證了上述兩種計算方法，結果表明:反求計算方法所計算出的等溫轉變動力學參數(shù)和實驗所的參數(shù)吻合較好，對比前人所述計算模型，本文所述反求計算方法計算精度更高;對于廣義計算方法，相變孕育貢獻系數(shù)對廣義計算過程作用很大，且任意冷卻路徑下相變過程能用廣義計算方法計算獲得。
　　(3)考慮微觀組織演變的影響，建立了

7、涉及相變的力學響應計算模型。利用熱處理變形實驗驗證了計算模型，并討論了四類計算參數(shù)對變形計算結果的敏感性影響。研究結果表明:熱物性參數(shù)的改變對熱處理變形計算結果影響不大;低溫范圍應力應變曲線對計算結果影響不大，但高溫應力應變曲線對熱處理變形計算結果有很高的敏感性;空冷不引起塑性變形，進而不會導致熱處理變形，對于油冷和水冷，熱處理變形大，且其界面換熱系數(shù)值對計算結果敏感性很大;對于相變相關參數(shù)，特別是相變塑性，對熱處理變形計算影響很大，其

8、數(shù)值對計算結果也有很大的敏感性。
　　(4)最后，本文所建計算模型運用到了熱沖壓仿真計算中，一方面建立了微觀組織演變定制熱沖壓計算模型，分析了四種工藝參數(shù)對組織分布計算結果的影響;另一方，討論了相變和相變塑性對熱沖壓回彈和殘余應力計算的影響，同時分析了熱沖壓工藝參數(shù)對上述兩種指標計算結果的影響。研究結果表明:對比實驗結果，本文所述微觀組織演變計算方法較傳統(tǒng)組織演變計算方法精度要高;模具的溫度，界面換熱系數(shù)和相變潛熱對定制熱沖壓成型