基于累積塑性能的熱變形開(kāi)裂準(zhǔn)則及應(yīng)用研究.pdf

1、熱塑性加工技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且還能有效改善工件的力學(xué)性能，在金屬零件制造過(guò)程中占據(jù)了重要的地位。在熱塑性加工成形領(lǐng)域內(nèi)，金屬材料成形性能的研究一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)之一，而金屬的韌性斷裂是影響成形性能的重要因素。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展以及損傷斷裂力學(xué)理論的日臻完善，利用數(shù)值模擬技術(shù)，將損傷斷裂力學(xué)引入有限元計(jì)算成為先進(jìn)熱塑性加工領(lǐng)域的前沿研究方向之一。然而，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的韌性開(kāi)裂準(zhǔn)則均基于室溫變

2、形而建立，對(duì)于熱變形開(kāi)裂的預(yù)測(cè)有一定的局限性，而且高溫高應(yīng)變速率條件下臨界開(kāi)裂參數(shù)難以測(cè)定。因此，建立熱變形開(kāi)裂準(zhǔn)則以迅速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的開(kāi)裂行為，成為了熱塑性加工技術(shù)發(fā)展迫切需要解決的瓶頸問(wèn)題之一。為此，本文以鑄態(tài)Ti60鈦合金為研究對(duì)象，研究了合金的熱變形行為，揭示了合金的開(kāi)裂行為及其機(jī)制，建立了熱變形開(kāi)裂準(zhǔn)則，并結(jié)合有限元模擬分析技術(shù)，系統(tǒng)分析了合金大規(guī)格棒材開(kāi)坯工藝過(guò)程，優(yōu)化了開(kāi)坯工藝參數(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)

3、果如下：
　　基于流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，揭示了不連續(xù)屈服程度與晶粒尺寸成反比關(guān)系，構(gòu)建了考慮應(yīng)變因素的本構(gòu)方程，采用動(dòng)態(tài)材料模型，繪制了Ti60合金的熱加工圖，優(yōu)化了Ti60鈦合金的加工窗口，理想加工參數(shù)為變形溫度1120℃，應(yīng)變速率為0.01~0.1s-1和變形量為45-60％。
　　基于熱壓縮試驗(yàn)樣本，研究了Ti60合金的開(kāi)裂行為及機(jī)制，其表面主要表現(xiàn)為45°剪切開(kāi)裂和縱向自由表面開(kāi)裂兩種宏觀斷裂形貌，其微觀形貌分別表現(xiàn)為拉

4、長(zhǎng)型的韌窩和等軸韌窩，且合金開(kāi)裂程度隨著變形溫度的降低、應(yīng)變速率和變形程度的增加而增加。裂紋易于在α/β相界、β晶界或氧化層中形核，并且傾向于沿著β晶界或者沿著β晶粒內(nèi)的α/β叢域擴(kuò)展。
　　提出了一種采用雙鏡頭、強(qiáng)補(bǔ)光以及專業(yè)攝影架等方式進(jìn)行修正了的高速攝影新方法，有效解決了裂紋觀測(cè)時(shí)裂紋產(chǎn)生位置隨機(jī)、觀測(cè)視場(chǎng)亮度較暗以及拍攝畫面不穩(wěn)定而存在臨界裂紋捕獲困難的問(wèn)題，準(zhǔn)確測(cè)量了合金熱壓縮過(guò)程的臨界開(kāi)裂變形量，提高了觀測(cè)裂紋出現(xiàn)位置

5、及時(shí)間的精度。
　　通過(guò)對(duì)現(xiàn)有典型開(kāi)裂準(zhǔn)則的理論分析以及所預(yù)測(cè)的開(kāi)裂位置和臨界損傷變化規(guī)律可知，F(xiàn)rudenthal準(zhǔn)則可以預(yù)測(cè)熱壓縮過(guò)程發(fā)生的心部開(kāi)裂，而C&L、O&K、Brozzo、McClintock、Oyane、R&T準(zhǔn)則均可預(yù)測(cè)赤道處自由表面開(kāi)裂，這與實(shí)際完全吻合。其中，O&K準(zhǔn)則能較好綜合考慮建立開(kāi)裂準(zhǔn)則時(shí)所考慮的應(yīng)力因素，且在一定程度上等價(jià)于Kuhn經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則和McClintock空洞合并模型?；谝餞i60合金韌性

6、開(kāi)裂的誘發(fā)應(yīng)力為環(huán)向拉應(yīng)力，本文選用累積塑性能模型的O&K準(zhǔn)則進(jìn)行修正以期建立Ti60合金的熱變形開(kāi)裂準(zhǔn)則。
　　綜合累積塑性能模型 O&K準(zhǔn)則力能函數(shù)形式和溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率Zener-Hollomon因子，最終建立了用于預(yù)測(cè)Ti60合金高溫?zé)嶙冃蔚捻g性開(kāi)裂準(zhǔn)則。采用FORTRAN語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)子程序?qū)嶙冃伍_(kāi)裂準(zhǔn)則嵌入商用有限元軟件DEFORM-3D中，實(shí)現(xiàn)了合金變形-傳熱-損傷耦合分析，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了模型的有

7、效性。
　　最后，借助已嵌入開(kāi)裂模型子程序的DEFORM-3D有限元軟件，以實(shí)現(xiàn)充分破碎鑄態(tài)組織和防止開(kāi)裂為目標(biāo)，對(duì)大尺寸 Ti60合金鑄錠進(jìn)行不同砧型(平砧、120oV型砧和U型砧)拔長(zhǎng)、單道次下不同壓下量、壓下速度和進(jìn)給量以及多道次下拔長(zhǎng)開(kāi)坯、鐓拔開(kāi)坯和翻轉(zhuǎn)角度等不同工藝參數(shù)下的有限元模擬。
　　平砧拔長(zhǎng)坯料端面開(kāi)裂損傷嚴(yán)重及產(chǎn)生“端面窩心”缺陷，但實(shí)際開(kāi)坯過(guò)程中無(wú)需更換模具，開(kāi)坯效率較高。U型砧和120oV型砧具有較高

8、的心部應(yīng)變和較好的防開(kāi)裂的效果，但型砧尺寸隨試樣截面尺寸變化而變化，開(kāi)坯效率較低。
　　單道次變形條件較優(yōu)的變形量、壓下速度以及進(jìn)給量分別為30%、10-15mm/s和130mm。基于單道次優(yōu)化的工藝參數(shù)，拔長(zhǎng)開(kāi)坯或鐓拔開(kāi)坯時(shí)，四個(gè)道次后不僅可實(shí)現(xiàn)鑄錠組織被充分打碎，且表面未出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂。且增加45°翻轉(zhuǎn)而進(jìn)行的六方拔長(zhǎng)比90°翻轉(zhuǎn)進(jìn)行的四方拔長(zhǎng)具有更好的截面應(yīng)變積累和更加均勻的應(yīng)變分布。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，選擇優(yōu)化的開(kāi)坯工藝參數(shù)，大尺寸