TA24合金多道次热变形行为及管材制备仿真

为研究TA24钛合金的高温热变形行为以及PQF(Premium quality finishing)热连轧制备工艺,采用Gleeble-3500热模拟机对TA24钛合金进行多道次热模拟压缩实验;采用Arrhenius双曲函数构建了TA24钛合金的应变补偿本构模型,分析了TA24合金微观组织随应变速率、变形温度变化的规律;结合有限元仿真研究了PQF热连轧过程中应变场、温度场及轧制力的变化。结果表明:多道次变形时,TA24钛合金的流变应力与变形温度成反比,与应变速率成正比;随着变形温度的升高,TA24合金从(α+β)双相向β相转变,流变应力相应降低。在950℃变形时,应变速率变化对微观组织影响不大,均为拉长的魏氏组织。有限元分析结果显示:钛管经过奇数机架时,应变最大值出现在0°位置,最小值出现在60°位置,而偶数架次结果与之相反;钛管在0°与30°位置的径向位移在经过奇数机架时下降,偶数机架时上升,而60°位置的径向位移则呈相反的变化趋势;此外,轧制过程中轧管金属从孔型底部向辊缝处流动,整体轧制力在170~700 kN。

Ti65钛合金热变形行为及本构方程

利用WDW-100H万能试验机对Ti65钛合金进行了等温恒应变速率热压缩实验,变形温度为840~1010℃,应变速率为0.001~0.1 s^(-1),建立了应变补偿型Arrhenius本构方程和热加工图。结果表明:在840~880℃内流动应力曲线波动较大,在880℃时峰值应力与稳定后应力之间的降幅最小,为24%,对温度敏感性较大;在920~1010℃内流动应力曲线较为平稳,在920℃时峰值应力与稳定后应力之间的降幅最大,为30%,对温度敏感性较小。采用应变补偿型Arrhenius本构方程可以较好地预测Ti65钛合金在变形条件为840~1010℃和0.001~0.1 s^(-1)下流动应力的变化规律。根据相关系数R=0.994和平均相对误差e AARE=6.9%可以判断出该模型精度较高,平均应变速率敏感性指数m为0.31。在应变为1.0时建立热加工图,发现Ti65钛合金在低温高应变速率下可能会发生失稳,在低温低应变速率下会发生再结晶行为。最终得出Ti65钛合金的最佳热变形工艺参数,即温度区间为940~980℃,应变速率区间为0.01~0.001 s^(-1)。

挤压态Mg-0.5Bi-0.5Sn-0.5Ag合金的热变形行为、组织和织构演变

本文成功制备了一种新型挤压态低合金化Mg-0.5Bi-0.5Sn-0.5Ag合金(BTQ000合金)。在变形温度为400℃、应变速率为10 s^(-1)的条件下,对BTQ000合金进行热压缩实验,研究了该合金在不同应变阶段的变形机制组织和织构演变。结果表明:BTQ000合金的流变应力曲线可分为加工硬化、动态回复、稳态流变和额外应变硬化四个阶段。合金发生了明显的回复和动态再结晶,随着应变的增大,平均晶粒粒径先增大后减小,孪晶的面积分数逐渐减小,亚晶的面积分数先增后减。当应变为0.1时,亚晶的最大面积分数为76.2%,亚晶对织构类型和强度起着主导作用,而织构强度则表现出先减后增的趋势。当应变为0.4时,大量具有弥散取向的动态再结晶晶粒减少了织构的峰值强度。由此可见,亚晶和动态再结晶是影响合金织构类型和强度的主导因素。

挤压态Mg-Al-Mn-(0.2Sr)镁合金的准静态压缩变形行为

采用准静态压缩实验研究了挤压态Mg-Al-Mn-(0.2Sr)镁合金在0.0001~0.33 s^(-1)应变速率范围内的变形行为。结果表明:挤压态Mg-Al-Mn-(0.2Sr)镁合金的流变应力响应行为具有一定的应变速率相关性,具体表现为流变应力随加载应变速率的增加呈现先降低,后增加,再降低的演变趋势。在压缩变形过程中,两种镁合金试样均产生了较为明显的动态应变时效(DSA)。产生DSA所需的临界应变随加载应变速率的增加而增加,且应力-应变曲线的锯齿类型具有强的应变速率相关性。添加Sr元素降低了镁合金沿径向压缩的流变应力,但对DSA行为具有一定的促进作用。相同应变速率下,挤压态Mg-Al-Mn-0.2Sr镁合金产生DSA的临界应变明显较小,且锯齿幅值略大。此外,Sr元素对孪生也具有一定的抑制作用,导致挤压态Mg-Al-Mn-0.2Sr镁合金的孪晶界出现不同程度的扭曲。

15CrMoG耐热钢高温变形行为及Arrhenius本构模型

采用Gleeble-3500热模拟试验机对15CrMoG耐热钢进行了变形温度为1173.15~1473.15 K,应变速率为5~20 s^(-1)的高温压缩实验。实验数据表明,15CrMoG具有负的温度敏感性和正的应变速率敏感性,且再结晶晶粒尺寸随变形温度的升高而明显增加。通过线性拟合求解出Arrhenius本构模型的材料参数,建立了基于峰值应力的表征参数和物理基参数本构模型。表征参数本构模型对峰值应力的预测值与实验数据的皮尔森相关系数为0.99824,物理基参数本构模型对峰值应力的预测值与实验数据的皮尔森相关系数为0.99807。为进一步提升本构模型的适用性,建立了考虑应变补偿的Arrhenius本构模型,实现了对整个应变范围内流动应力的预测。在整个应变范围内,对模型进行了误差分析,表征参数本构模型的最大相对误差为3.76%,物理基参数本构模型最大相对误差为6.04%。

不同模具角度下反复弯曲-压平变形工艺对AZ31镁合金板材显微组织演变和变形行为的影响

采用不同角度模具的反复弯曲-压平变形工艺制备AZ31镁合金板材。通过FEM、OM、EBSD和硬度计研究AZ31镁合金在反复弯曲-压平变形过程中的显微组织演变和变形行为。结果表明,150°/150°模具在所有三组实验中都表现出最佳性能。随着道次的增加,合金的等效应变由于剪切和弯曲作用而显著提高。经过4道次后,合金的平均晶粒尺寸显著细化至1.7μm,基面织构被弱化,这是非基面滑移、动态再结晶和孪生引起的;尤其是锥面滑移有利于引发动态再结晶和孪生。合金的硬度值达到HV 77,这是滑移、孪生和动态再结晶竞争产生的显微组织和织构综合作用的结果。

不同控制模式下316L不锈钢的高温疲劳变形行为及寿命预测

在550℃下对核电用316L不锈钢进行应变控制(应变幅在0.3%~1.2%)、应力控制(应力幅在230~300 MPa)低周疲劳试验和应变控制蠕变疲劳试验(3种波形,拉伸保载60,180,600 s,压缩保载60,180 s,拉压对称保载180 s),通过疲劳寿命、循环响应特征和应力-应变滞回曲线分析了不同控制模式下试验钢的疲劳变形行为;构建疲劳寿命预测模型,评估了Manson-Coffin-Basquin模型、SWT模型和能量法模型对不同控制模式下试验钢疲劳寿命的预测能力。结果表明:在不同控制模式的疲劳循环载荷下,316L不锈钢的循环应力响应均包括循环硬化、循环软化和失效断裂3个阶段;在低周疲劳试验中,疲劳寿命随应变幅或应力幅的增大而缩短;在蠕变疲劳试验中,疲劳寿命随拉伸保载时间的延长而缩短,随压缩保载时间的延长而增大,这与动态应变时效和蠕变对疲劳损伤的综合作用有关;在相同保载时间下,压缩保载下的疲劳寿命比拉伸保载下的短,这与不同加载方向引起的氧化层致裂机制有关。能量法模型对316L不锈钢在不同控制模式下的疲劳寿命预测精度最高,预测精度在1.5倍误差带以内,Manson-Coffin-Basquin模型的预测精度最低。

TC18钛合金大规格棒材热变形行为研究进展

近年来,随着自由锻造装备大型化的不断发展,航空航天关键结构件用锻件的大型化需求急剧增长,大规格棒材的制备成为了科研及工业化生产的重点工作。TC18钛合金作为一类高合金化、热变形参数敏感型高强高韧钛合金,已逐步成为航空航天关键装备的核心结构材料,因此,其棒材的大型化成为了近年来研究及生产的重点方向。本文梳理了近年来TC18钛合金大规格棒材(Φ300~Φ500 mm)生产技术概况,综述了TC18钛合金热变形数值模拟的相关研究,分析铸锭熔炼、锻造成型及热处理工艺的现状,总结大规格棒材现存问题及解决方法。最后,展望原材料制备过程今后一段时间的研究重点,结合使用单位对TC18钛合金棒材的使用需求,力争在未来打通原材料和成品锻件的全流程制造工艺,实现工艺个性化设计、组织性能定量调控。

基于双层凹型集磁器的管件电磁胀形电磁力特性及变形行为研究

针对传统管件电磁胀形存在管件壁厚减薄严重和变形不均匀等问题,提出基于双层凹型集磁器结构的单线圈管件电磁成形方法,通过径向电磁力场分布的调控和轴向电磁力的协同加载,为同时抑制管件壁厚减薄和改善变形均匀性提供了新的技术途径。为验证该方法的有效性,基于电磁-结构场耦合数值模型,对比探究有无双层凹型集磁器下轴径电磁力分布特性、管件壁厚减薄量以及轴向变形均匀性等关键物理量的变化规律,研究集磁器的内凹高度对管件成形行为的影响。仿真结果表明,与传统管件电磁胀形方法相比,新方法下管件壁厚减薄量可从22.07%降低至8.30%,且轴向均匀性扩大至2.31倍。

C650R镍基耐热合金热变形行为

采用Gleeble-3800热模拟试验机,在变形温度950~1200℃、应变速率0.001~1 s^(-1)范围内,对C650R镍基耐热合金进行了热压缩模拟试验,研究了材料在热压缩过程中的热变形行为和组织演变。结果表明,C650R合金的流变应力随真应变增加先迅速增加,到达峰值后逐渐降低,C650R合金呈现明显的动态结晶软化机制。C650R合金降低了固溶强化元素Co和Mo的含量,变形抗力较低,具有良好的热加工性能。构建了C650R合金的热加工图,结合组织观察,确定了合适的热加工区间:变形温度1060~1170℃,应变速率0.1~1 s^(-1)。

Mg-Gd-Zn高稀土镁基复合材料的变形行为

通过半固态搅拌铸造和热挤压工艺制备了TC4(Ti-6Al-4V)颗粒增强Mg-13Gd-5Y-2Zn-1Mn镁基复合材料,采用光学显微镜、扫描电镜、单轴压缩试验和三点弯曲试验分析了其显微组织及变形行为。结果表明,在挤压过程中,TC4颗粒阻碍了其周边晶粒的动态再结晶过程和长周期堆垛有序(LPSO)相的变形,晶粒的织构方向发生改变,在基体内形成了LPSO相、TC4颗粒、再结晶晶粒和变形晶粒组成的不同区域。复合材料的压缩性能相较于基体材料得到了较大提升,其压缩屈服强度和极限抗压强度可达到450和637 MPa,压缩应变为10.1%。在压应力作用下,复合材料内出现以<1120>86°孪晶为主的大量变形孪晶,产生了较强的孪晶强化。

鲜水河断裂带炉霍段北部断裂岩特征与变形行为研究

鲜水河断裂带是中国陆内活动性最强、强震频率最高的活动断裂之一,断裂岩以及大地测量学研究发现该断裂带可能具有广泛的蠕滑变形。研究该断裂带几何结构和变形行为有助于认识蠕滑与粘滑机制,并为评估其强震危险性提供关键科学依据。本文以鲜水河断裂带炉霍段北部断层剖面及其中的断裂岩为研究对象,通过野外地质调查、显微构造观察、扫描电镜以及X射线衍射(XRD)分析等方法,对断裂带的几何结构、断裂岩物理特征与矿物组成等开展了详细分析。结果显示,炉霍段北部的最新主断面位于断裂变形带东部边界,走向N110°,倾向北东,倾角约50°,具有左行走滑兼正断的运动学特征;主断面附近的断层泥相对发育,上盘以棕色为主,宽约3cm,下盘以黑色为主,宽约20~30cm,成分主要为粘土矿物和石英。靠近主断面强矿物含量达70%以上,矿物颗粒均以棱角状、长条状为主,存在矿物颗粒被截切形成平直截切面的现象,指示其应以粘滑变形行为为主;断裂带内的断层泥透镜体则显示,粘土矿物含量极高(>60%),定向明显且面理发育,Al和K元素富集等现象,指示可能存在前期蠕滑变形行为。上述结果指示,鲜水河断裂带炉霍段可能经历了从蠕滑到粘滑变形行为的转变。以上研究结果与鲜水河断裂带以高角度左行走滑,广泛存在蠕滑变形的认识不同,表明断裂带变形行为存在明显的空间分布不一致的特征,除了围岩性质和流体作用以外,断裂的空间几何结构也是重要的控制因素。新的研究结果可以为更深入了解大型走滑断裂带变形行为、孕震机制以及未来强震危险性提供科学依据。

强剪切对单层晶极薄带轧制变形行为的影响

为确定最优的极薄带轧制工艺,本研究深入分析了强剪切对轧制单层晶极薄带微观变形行为和晶体转动演化的影响。采用基于位错滑移机制的晶体塑性有限元模型进行模拟,最大异速比达到1.5。建立了晶粒取向随机分布的单层晶极薄带轧制模型,以探究少晶组织的晶界作用特性。结果表明:强剪切导致单层晶极薄带轧制微观变形和晶体转动表现出显著的局部化。强剪切促进了晶粒的剪切变形,使得晶界的协调变形能力增强。在轧制区施加强剪切变形,可使已启动滑移得到扩展,主滑移带缩窄分散形成新的次滑移带,滑移更加集中和各向异性。变形后晶粒取向主要绕箔材宽度方向发生转动和分散,强剪切使转动角度增大和分散点更加集中稳定。模拟表明强剪切严重影响单层晶极薄带轧制变形的各向异性,进而导致择优取向、滑移局部化以及非均匀应力-应变分布。

45钢的温变形行为及本构模型

在变形温度为600~700℃,应变速率为0.001~1 s^(-1)及变形量为60%的条件下,采用Gleeble-3500热模拟试验机对45钢进行了等温压缩试验,研究了其温变形行为。在对45钢真应力-真应变曲线进行摩擦修正及绝热修正的双修正基础上,建立了45钢基于Arrhenius方程的本构方程、基于应变补偿的Arrhenius本构方程和BP(Back-propagation)神经网络的本构模型。结果表明:45钢的流变应力对变形温度和应变速率十分敏感,随变形温度的升高而降低,随应变速率的增大而增加。通过计算本构方程的预测值和试验值的相关系数与平均相对误差发现:基于Arrhenius方程的本构方程,相关系数为0.98537,平均相对误差为3.1197%;基于应变补偿的Arrhenius本构方程,相关系数为0.97923,平均相对误差为4.42948%;基于BP神经网络的本构方程,相关系数为0.99682,平均相对误差为2.28368%,表明基于BP神经网络的本构方程的整体预测性较好,具有较低的误差及较好的预测性。

18Cr2Ni4W钢的热变形行为及热加工图

在变形温度为850~1200℃,应变速率为0.005~0.5 s^(-1)及真应变为0.8的条件下,采用Gleeble-3800型热模拟试验机对18Cr2Ni4W钢进行热压缩试验,分析其真实应力-应变曲线,基于双曲正弦函数,建立了18Cr2Ni4W钢的热变形本构方程;采用动态材料模型(DMM),建立了18Cr2Ni4W钢在真应变为0.8时的热加工图。结果表明:18Cr2Ni4W钢在热加工过程中发生了动态再结晶,流变应力随着变形温度的升高而降低,随着应变速率的增加而增加;峰值应力随应变速率的降低和变形温度的升高而降低。失稳区主要集中分布于变形温度为860~950℃、应变速率为0.03~0.5 s^(-1)的范围内,其显微组织为沿变形方向拉长的带状组织,并存在局部流动性,对应的功率耗散η值较低,小于0.2;安全区的显微组织是典型动态再结晶组织,功率耗散η值较高,在0.28~0.49之间。在真应变为0.8时,18Cr2Ni4W钢最佳的热加工工艺为:变形温度为975~1050℃、应变速率为0.01~0.14 s^(-1)以及变形温度为1050~1200℃、应变速率为0.01~0.5 s^(-1)。

稀土Gd对Ni-Cr-Mo合金热变形行为的影响

含Gd镍铬钼合金作为乏燃料贮运用中子屏蔽材料具有广阔的应用前景,却在热加工时极易发生开裂,为了优化合金热变形工艺参数,本文以Ni-Cr-Mo合金为研究对象,研究了Gd加入后引起的组织变化。在变形温度为1 000~1 200℃、应变速率为0.01~5 s^(-1)条件下进行等温热压缩实验,计算合金相关材料常数及热变形激活能,构建热加工图并确定热加工窗口,结合微观组织进行分析,研究Gd对合金热变形行为的影响。结果表明,Ni-Cr-Mo合金中加入了1.2%的Gd,合金的变形激活能从472.15 kJ/mol降至422.9 kJ/mol,在热变形时合金的能量消耗效率更高,组织演变更充分,塑性失稳区域由高温向低温逐渐转移,并且增大了合金在1 000~1 060℃,0.01~0.32 s^(-1)低温低应变速率下安全区的面积。合金最佳热加工区间为:0.5真应变量,温度(T)为1 113~1 164℃,应变速率(ε)为0.01~0.2 s^(-1)。Gd在晶界或枝晶间以金属间化合物GdNi_(5)析出,GdNi_(5)相作为硬脆相,在热变形过程中其周围产生较大应变,导致组织中畸变能更高,从而促进周围变形晶粒发生再结晶,降低组织中的残余应变。

Cr12铁素体不锈钢热变形行为及热加工图

铁素体不锈钢具有良好的耐大气腐蚀性能,机械和焊接性能良好。这类金属材料在制造煤车、建筑行业和海水淡化管道中有着广泛的应用。与奥氏体不锈钢相比,它们是更便宜的替代品。用Gleeble-3800热模拟试验机在应变速率0.01~10 s^(-1)和950~1100℃的条件下对Cr12铁素体不锈钢进行热压缩实验,研究其高温热变行为。通过Arrhenius应变补偿本构模型建立流变应力预测模型,由能量耗散图和失稳图两部分叠加建立基于DMM的热加工图。结果表明:Cr12不锈钢的流动应力对其变形行为是敏感的,根据得到的应力应变曲线建立七阶多项式拟合的应变补偿模型,并计算出相关系数R,平均相对误差AARE,均方根误差RMSE分别为0.988,4.108%,6.107 MPa,表明建立的应变补偿方程较为精确。根据热加工图可以确定该金属材料较优的工艺参数范围在温度为1025~1100℃,应变速率为0.03~0.22 s^(-1)之间的的区域。

低碳钢在冷镦条件下的变形行为研究

为研究低碳钢冷镦变形过程中温度对材料变形行为的影响,以10钢为例,采用热模拟压缩变形试验模拟10钢在冷镦过程中的变形条件,具体参数为变形温度为20~270℃、变形速率为0.1~10 s^(-1)、变形程度约为0.7。通过对21组不同变形温度、不同应变速率条件下的流变应力曲线、峰值应力及金相组织形貌进行分析,分别对该材料在以200℃为临界温度发生的热软化行为和热硬化行为进行阐释,提出了对后续冷镦成形工艺参数的控制要求。基于Hansel-Spittel模型,建立10钢在200℃以下考虑材料热软化效应的流变应力模型。该模型预测值与试验值的线性相关系数为0.98,相对平均误差为3.46%,说明该流变应力模型能够准确预测10钢在200℃以下的流变行为。

BCC Fe中P晶界偏析对拉伸变形行为影响的分子动力学研究

晶界是金属材料中重要的微观结构,并且晶界上的位错形核对材料变形起着至关重要的作用。本文通过分子动力学模拟研究了BCC Fe中对称倾侧晶界的位错形核机制和孪晶机制,分析了P的晶界偏析对位错变形行为的影响机理。对于(111)晶界体系,位错形核扩展主导拉伸变形行为。而对于(112)孪晶界体系,拉伸变形主要是由孪晶主导,体系发生BCC-FCC相变。针对5个对称倾侧晶界(旋转角为30°~160°)体系,在不同温度下(300 K和600 K)施加拉伸载荷,结果表明位错形核受晶界类型和温度影响。与300 K相比,600 K下体系强度降低,促进位错形核。同时,从原子微观结构、体系能量两个角度,研究P的晶界偏析对位错形核的影响机理。本文提供了晶界位错形核的原子机制,有助于理解P在BCC Fe中的偏析对晶界变形行为和力学性能的影响。

Ti-62222钛合金热变形行为及变形组织研究

以Ti-62222钛合金为研究对象,对该合金热压缩过程中的变形行为及显微组织演变规律进行了研究。结果表明,Ti-62222钛合金的真应力-真应变曲线总体呈应变软化型,曲线在应变较小时出现峰值。流动应力随着应变值的升高而下降,随应变速率的增大及变形温度的减小而增大。而对其热变形组织的研究发现,随着温度的升高,合金中α相含量减小,β相含量增加,同时α相球化率升高。在大变形量的情况下,α相含量与变形量呈负相关,即变形量越大,α相含量越少;α相球化率随着变形量增大而显著提高。当应变速率处于较高水平时,α相含量随应变速率升高而降低;应变速率对片层α相球化有抑制作用,球化率随应变速率增大而减小。