基于动态材料模型的材料热加工工艺优化方法

基于动态材料模型理论的加工图技术被广泛用于设计和优化材料热加工工艺中,以实现微观组织和性能的控制。综述动态材料模型的相关理论,介绍基于动态材料模型的稳定变形区和失稳变形区的各种判据及其物理含义,比较和分析各种判据的应用情况及其有效性,对判据在某些情况下预测失败的原因进行分析,指出利用各种判据优化材料热加工工艺时的选用原则。

用于控制材料热加工组织与性能的动态材料模型理论及其应用

动态材料模型及其加工图技术是一种可以用来对材料热加工过程进行优化设计,以实现对材料热加工微观组织和性能进行控制,提高产品质量和可靠性的理论方法。综述动态材料模型及其加工图技术的理论基础及其发展过程,对变形稳定区和失稳区判据的不可逆热力学和耗散结构基本理论以及各种判据的推导过程进行较详细的介绍,从理论角度比较和分析基于动态材料模型理论的各种变形稳定区和失稳区判据的优缺点及其适用范围,指出应用这些判据来实现材料热加工组织性能控制时应注意的一些问题。简要介绍采用动态材料模型理论及其加工图技术来解决实际热加工问题,以达到控制材料组织和性能,确保产品质量,提高生产率的应用情况。

TC4钛合金动态材料模型研究

对外物冲击过程进行数值模拟的关键在于获得材料的动态材料模型。以《TC4动态力学性能试验研究》中的试验结果为基础。采用Levenberg-Marquarat算法估计Johnson-Cook(J-C)材料模型中的相关参量,并对模型中的相关参量进行灵敏度分析。开展钢珠撞击TC4钛合金平板试验,并使用Ansys/LS-DYNA对该试验过程进行数值模拟,对建立的材料模型进行检验。结果表明所得材料模型可以很好地描述材料的动态力学行为。

Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金β加工动态再结晶行为研究

利用Thermecmastor—Z热模拟试验机，在变形温度1020～1080℃和应变速率0．001～70S。范围内对原始等轴组织的Ti-6．5Al-3．5Mo-1．5Zr-0．3Si合金进行等温恒应变速率压缩实验，分析高温流动行为，构建基于动态材料模型的功率耗散图，并结合微观组织观察对其β加工的动态再结晶行为进行研究。结果表明，Ti-6．5Al-3．5Mo-1．5Zr-0．3Si合金在声单相区变形时，不同温度和应变速率下的流动应力曲线均呈稳态流动特征，但仅根据流动应力曲线并不能确定是否发生动态再结晶。根据功率耗散图分析和微观组织观察可知，Ti-6．5Al-3．5Mo-1．5Zr-0．3Si合金卢加工易发生动态再结晶的热力参数范围为：变形温度1020-1080℃，应变速率0．01-0．1s^-1，此区域功率耗散功率η值都大于0．4，为实际β加工时优化的热力参数范围；应变速率过高或过低，均不易发生动态再结晶。

三维热加工图的GCr15钢可成形性分析

为了研究GCr15轴承钢温热成形范围的可成形性,在温热成形温度范围基础上,将温度的研究范围进行扩大。采用Gleeble^(-1)500D型热-力模拟试验机对GCr15轴承钢进行热压缩试验,试验参数范围为温度600~1050℃、应变速率0.01~5 s^(-1)。基于热压缩试验数据、加工图理论和动态材料模型(DMM)建立了GCr15轴承钢考虑应变影响的三维热加工图,描述了GCr15轴承钢在温热变形时应变、温度、应变速率对可成形性的影响。通过金相观察进行微观组织分析,研究了动态再结晶(DRX)的演变过程。结果表明:材料适宜加工参数范围是应变大于0.4,温度850~950℃,应变速率0.01~0.37 s^(-1)。

4045铝合金热变形行为及其加工图

采用Gleeble-3500热模拟试验机对4045铝合金在变形速率为0.01～10s-1,变形温度为300～450℃条件下进行等温热压缩实验,研究了该合金的热变形行为及其热加工特性.结果表明:4045铝合金热变形过程的流变行为可用双曲正弦模型来描述,其平均激活能为189.93kJ/mol.基于动态材料模型(DMM)获得了4045铝合金的热加工图,并结合热加工图和金相显微组织分析得到了该合金在实验参数范围内较优的热加工工艺参数范围:加工温度为380～450℃,变形速率为0.1～0.3s-1.

基于动态材料模型的Cr8钢的热加工图

采用Gleeble-1500D热模拟试验机对Cr8钢进行了高温压缩试验,研究了Cr8钢在变形温度为900～1200℃、应变速率为0. 005～5 s^(-1)条件下的热变形行为。基于试验得到Cr8钢的真应力-真应变曲线,采用动态材料模型和Ziegler失稳判据建立了Cr8钢的热加工图。结果表明:当应变速率小于1 s^(-1)时,该合金的热变形流变曲线呈现出典型的动态回复型特征;材料的失稳区主要发生在高应变速率的区域,并且随着应变的增加,功率耗散因子增加。根据已建立的热加工图,得到了Cr8钢的最佳加工工艺参数为变形温度1125～1190℃、应变速率0. 005～0. 01 s^(-1)。分析加工图中非失稳区的金相照片,该材料的显微组织发生了动态再结晶,获得的组织晶粒细小且分布均匀;分析加工图中失稳区的金相照片,该材料的显微组织中出现了很多剪切带,验证了该热加工图的正确性。

比较和分析动态材料模型的材料热加工工艺优化方法

基于动态材料模型理论,机械加工技术广泛用于设计和优化材料的热处理过程以控制微观结构和特性。本文总结动态材料模型的理论,介绍了基于动态材料模型的稳定性和不稳定性改变区的各种标准,通过使用不同的标准,分析了在一些情况下预期失败的原因,以及最优化热处理技术的选择原理。

加工图理论研究进展

综述了基于原子模型的Raj加工图和基于动态材料模型(DMM)加工图的研究进展,重点介绍了DMM的原理,对比分析了几种常见的塑性失稳判断准则的优缺点,并以基于DMM加工图为例,分析了材料成形过程中各种变形机制,并进一步阐明了加工图的发展方向。

热加工图理论的研究进展

加工图能优化材料的加工工艺,在由应变速率和变形温度构成的二维平面上,将功率耗散图和失稳图以等高线的形式叠加在一起便构成了加工图。回顾了金属材料热加工图的研究进展,重点介绍了基于动态材料模型加工图的原理及几种耗散和失稳判断准则,对其适用性进行了对比分析。

2124铝合金的热压缩变形和加工图

采用热模拟实验研究2124铝合金在应变速率为0.01-10s^-1、变形温度为340-500℃条件下的流变应力行为。结果表明：2124铝合金热变形过程中的流变应力可用双曲正弦本构关系来描述,平均激活能为170.13kJ/mol。根据动态材料模型,计算并分析2124铝合金的加工图。利用加工图确定热变形的流变失稳区,并且获得了实验参数范围内的热变形过程的最佳工艺参数,其热加工温度为450℃左右,应变速率为0.01-0.1s^-1。

TB6钛合金热变形行为及加工图

在Gleeble-3500热模拟机上对TB6钛合金进行了多组试样热物理模拟压缩实验,获得温度为948~1123 K、应变速率为0.001~10 s-1条件下的真应力-应变数据。通过计算m值、η值和ξ值从而识别出不同应变下的稳定变形参数区和失稳区,并获得TB6钛合金在实验范围内的安全变形参数区间为948~1123 K和0.001~0.01 s-1,1023~1123 K和0.01~0.1 s-1,1036~1077 K和0.1~1 s-1。此外,绘制出TB6钛合金在实验条件下的微观组织演变机制图。

Al-Cu-Mg-Ag合金的热变形加工图及其分析

为确定Al-Cu-Mg-Ag合金的热加工工艺制度提供理论依据以及便捷的途径,基于动态材料模型(DMM)理论和Ziegler失稳判据,采用Al-Cu-Mg-Ag合金的热变形实验数据,建立了热变形加工图,并利用加工图理论分析了该合金在热变形过程中的变形行为.结果表明:Al-Cu-Mg-Ag合金热变形时有2个失稳区域,一是变形温度为300～400℃、应变速率为0.1～10 s-1的区域,二是变形温度为450～500℃、应变速率为1.0～10 s-1的区域;该合金的热变形参数建议在变形温度350～450℃、应变速率0.001 s-1的范围内选取.

镁合金ZK60的三维加工图及失稳分析

在PRASAD提出的二维加工图的基础上，建立包含应变的三维加工图，经分析得到适合镁合金ZK60的失稳判据，讨论并解决了三维力睁工图绘制中的关键技术。在Gleeble-1500热模拟机上对镁合金ZK60进行了热压缩实验，研究了200-360℃和0．01～5／s条件下的热变形行为。该加工图的结果显示一个非失稳、功率耗散峰值区：温度为300～360℃、应变速率为0．01-0．1／s，功率耗散平均值为35％，此区为适合的加工区。

基于DMM加工图的7050铝合金热塑性变形参数优化识别

采用Gleeble-1500热物理模拟试验机对7050铝合金在变形温度573～723 K、应变速率0.01～10 s-1、最大压缩量80%的条件下进行了等温压缩实验,得到该合金多组真实应力-应变数据,以此作为计算应变速率敏感指数(m值)、功率耗散系数(η值)、失稳判据(ξ值)三重判据的底层材料数据。通过m值、η值和ξ值的正负分布而三重递进识别出不同应变下稳定变形参数区和失稳区,最后将不同应变下的功率耗散图和失稳图叠加以构建含应变影响的系列加工图,基于此识别出高η值和高ξ值的最优化稳定变形参数区,以及负m值、负η值和负ξ值的最大化失稳变形参数区,可以为确定最佳的热变形工艺参数提供理论指导。

基于DMM加工图的Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金热塑性变形参数优化识别

通过Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V(TA15)合金多组试样热物理模拟压缩实验获得温度1073～1323K、应变速率0.01～10s-1下的真实应力-应变数据,以此作为计算应变速率敏感指数m、功率耗散系数η、失稳判据ξ三重指标的底层材料模型。以一组3D曲面形式揭示了应力、应变速率、温度、应变量的共同作用诱导的多种变形机制的转化及同时存在所引起的应变速率敏感系数m的剧烈响应,并通过m值的正负初步识别变形稳定区和失稳区。进一步绘制能量耗散图并识别出η值为负的不稳定变形区,以及η值为正的稳态变形区。在此基础上最后通过失稳判据分布图识别出ξ>0的稳定变形区、ξ≤0的失稳变形区。最后将不同应变下的功率耗散图和失稳图叠加以构造最终所需的含应变影响的系列加工图。综合识别后,具有较高m值水平、较高η值水平、较高ξ值水平的稳定变形参数区间为优先推荐,具有负m值水平、负η值水平、负ξ值水平的失稳变形参数区间为避免推荐。

基于热加工图的7075铝合金热塑性变形工艺参数优化识别

在Gleeble-1500热模拟试验机上进行多组热压缩试验,得到7075铝合金在成形温度573～723K,应变速率0.01～10s-1下的真应力-应变数据,用此数据作为计算应变速率敏感指数(m值)、功率耗散因子(η值)、失稳判据(ξ(ε.)值)三重判据的基本模型。通过三重判据构建包含应变在内的7075铝合金热加工图,并观察试样变形后的微观组织来验证热加工图,最终判断该合金在试验范围内的最佳变形参数。结果表明7075铝合金热加工的安全区集中在高温低应变速率区,并随着应变的增加,η值逐渐增加;通过金相观察,稳定变形区,材料由于变形发生动态再结晶而使晶粒细化;不稳定变形区,裂纹伴随着流动位错带的产生而被发现,因此可以通过包含应变的热加工图所确定的最佳工艺参数来保证无缺陷的7075铝合金锻件。

包含应变的三维加工图与有限元相结合的金属可加工性分析

可加工性包括应力状态可加工性和内禀可加工性,传统的基于动态材料模型的加工图仅说明了材料的内禀可加工性。基于PRASAD的加工图理论,建立新的包含应变的三维加工图,描述功率耗散系数和流变失稳区域随应变速率、温度和应变的变化,解决了具有明显应变软化效应的合金(如镁合金)热变形时可加工性对应变的敏感性问题。进一步将加工图与有限元相结合,得到材料在特定工艺条件下应力、应变、应变速率和流变失稳区域的分布,建立一种分析金属热成形全过程可加工性的方法。

基于热加工图的铅基轴承合金变形行为研究

使用Gleeble-1500热模拟试验机研究了铅基轴承合金在变形温度为160~230℃、应变速率为0.01~1 s^(-1)时的热变形行为。利用Matlab软件进行了三次样条插值。基于动态材料模型理论,采用Oringin软件绘制铅合金加工图。根据加工图分析,获得了热变形最佳工艺参数范围,即加热温度208~219℃,应变速率0.01~0.15 s^(-1)。

加工图的理论研究现状与展望

综述了基于动态材料模型(DMM)加工图的研究进展,重点介绍了DMM的原理,对比分析了几种常见的塑性失稳判断准则的优缺点,在二维加工图的基础上建立了包含应变的三维加工图,说明了功率耗散系数和流变失稳区域随温度、应变速率和应变的变化。通过DMM加工图分析了材料成形过程中各种变形机制,并研究了合金的组织演变规律,为确定镁合金的热加工工艺制度提供理论依据以及更便捷的途径,并进一步阐明了加工图的发展方向。