金屬材料微觀組織演變計(jì)算方法及在熱成型中的應(yīng)用.pdf

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

2、用高強(qiáng)硼鋼(22MnB5)，其在慢速冷卻情況下，有多種微觀組織產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)的等溫轉(zhuǎn)變?cè)杏诜浅６?，且難以測(cè)得，而相變?cè)杏趯?duì)相變開(kāi)始的判斷和相變過(guò)程計(jì)算影響很大，傳統(tǒng)的計(jì)算方法對(duì)于這類材料和加工工藝仿真計(jì)算精度不高。因此，對(duì)于熱沖壓過(guò)程仿真模擬，提高傳統(tǒng)組織演變計(jì)算方法的計(jì)算精度，尋求新型組織演變計(jì)算方法，并將組織演變計(jì)算模型運(yùn)用到熱沖壓仿真計(jì)算中去，探索組織演變對(duì)熱沖壓仿真計(jì)算的影響，對(duì)于提高熱沖壓工藝仿真計(jì)算的精度有重要的工程意義。<

3、br>　　本文立足于數(shù)值計(jì)算方法，在金屬材料組織演變數(shù)值計(jì)算方面，展開(kāi)了組織演變傳統(tǒng)的計(jì)算方法研究，并在前人研究工作基礎(chǔ)上，發(fā)展了組織演變新型計(jì)算方法;在金屬材料加載下力學(xué)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算方面，基于熱處理變形實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算，展開(kāi)了涉及組織演變的力學(xué)響應(yīng)模型的研究;最后，利用本文所建計(jì)算模型，分析和討論了實(shí)際的熱沖壓成型仿真計(jì)算過(guò)程。本文完成的研究?jī)?nèi)容如下所示:
　　(1)以熱沖壓成型用高強(qiáng)硼鋼(22MnB5)為實(shí)驗(yàn)研究材料，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)

4、試結(jié)果，計(jì)算得出了擴(kuò)散型相變的孕育時(shí)間;并在特殊溫度范圍，設(shè)置了鐵素體和貝氏體相變虛擬孕育時(shí)間，通過(guò)求解連續(xù)等速冷卻過(guò)程，確定了虛擬孕育時(shí)間;基于傳統(tǒng)的組織演變計(jì)算方法，在模型中考慮了相變?cè)杏趯?duì)組織演變計(jì)算過(guò)程的影響，編寫了材料組織演變計(jì)算予程序(USDFLD)，計(jì)算了高強(qiáng)硼鋼在冷卻過(guò)程中組織演變過(guò)程。最后，本文開(kāi)展了高強(qiáng)硼鋼端淬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明:孕育時(shí)間對(duì)相變過(guò)程的計(jì)算作用很大，且計(jì)算模型能很好的預(yù)測(cè)高強(qiáng)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(zhuǎn)變(Continuous Cooling Transformation CCT)曲線數(shù)據(jù)，構(gòu)建并發(fā)展了微觀組織演變參數(shù)反求計(jì)算方法和直接求解任意冷卻過(guò)程的廣義計(jì)算方法。通過(guò)反求計(jì)算，獲得等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)參數(shù)，基于所求的等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)參數(shù)，能利用傳統(tǒng)的組織演變計(jì)算方法，計(jì)算任意冷卻路徑的相變過(guò)程;對(duì)于廣義計(jì)算方法，提出了相變?cè)杏暙I(xiàn)系數(shù)概念，其考慮了實(shí)際冷卻過(guò)程中當(dāng)前溫度和當(dāng)前冷卻速度

6、對(duì)廣義計(jì)算的影響，提高了模型計(jì)算精度，同時(shí)建立了相變過(guò)程廣義計(jì)算方法。最后，基于單相貝氏體鋼G17GrMo9-10為實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述兩種計(jì)算方法，結(jié)果表明:反求計(jì)算方法所計(jì)算出的等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)所的參數(shù)吻合較好，對(duì)比前人所述計(jì)算模型，本文所述反求計(jì)算方法計(jì)算精度更高;對(duì)于廣義計(jì)算方法，相變?cè)杏暙I(xiàn)系數(shù)對(duì)廣義計(jì)算過(guò)程作用很大，且任意冷卻路徑下相變過(guò)程能用廣義計(jì)算方法計(jì)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(xué)響應(yīng)計(jì)算模型。利用熱處理變形實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算模型，并討論了四類計(jì)算參數(shù)對(duì)變形計(jì)算結(jié)果的敏感性影響。研究結(jié)果表明:熱物性參數(shù)的改變對(duì)熱處理變形計(jì)算結(jié)果影響不大;低溫范圍應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，但高溫應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)熱處理變形計(jì)算結(jié)果有很高的敏感性;空冷不引起塑性變形，進(jìn)而不會(huì)導(dǎo)致熱處理變形，對(duì)于油冷和水冷，熱處理變形大，且其界面換熱系數(shù)值對(duì)計(jì)算結(jié)果敏感性很大;對(duì)于相變相關(guān)參數(shù)，特別是相變塑性，對(duì)熱處理變形計(jì)算影響很大，其

8、數(shù)值對(duì)計(jì)算結(jié)果也有很大的敏感性。
　　(4)最后，本文所建計(jì)算模型運(yùn)用到了熱沖壓仿真計(jì)算中，一方面建立了微觀組織演變定制熱沖壓計(jì)算模型，分析了四種工藝參數(shù)對(duì)組織分布計(jì)算結(jié)果的影響;另一方，討論了相變和相變塑性對(duì)熱沖壓回彈和殘余應(yīng)力計(jì)算的影響，同時(shí)分析了熱沖壓工藝參數(shù)對(duì)上述兩種指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的影響。研究結(jié)果表明:對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文所述微觀組織演變計(jì)算方法較傳統(tǒng)組織演變計(jì)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(duì)定制熱沖壓成型