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文檔簡介
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)有國內(nèi)外的韌性開裂準(zhǔn)則均基于室溫變
2、形而建立,對于熱變形開裂的預(yù)測有一定的局限性,而且高溫高應(yīng)變速率條件下臨界開裂參數(shù)難以測定。因此,建立熱變形開裂準(zhǔn)則以迅速、準(zhǔn)確地預(yù)測可能出現(xiàn)的開裂行為,成為了熱塑性加工技術(shù)發(fā)展迫切需要解決的瓶頸問題之一。為此,本文以鑄態(tài)Ti60鈦合金為研究對象,研究了合金的熱變形行為,揭示了合金的開裂行為及其機(jī)制,建立了熱變形開裂準(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)格棒材開坯工藝過程,優(yōu)化了開坯工藝參數(shù),并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。主要研究內(nèi)容和結(jié)
3、果如下:
基于流動應(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合金的開裂行為及機(jī)制,其表面主要表現(xiàn)為45°剪切開裂和縱向自由表面開裂兩種宏觀斷裂形貌,其微觀形貌分別表現(xiàn)為拉
4、長型的韌窩和等軸韌窩,且合金開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時(shí)裂紋產(chǎn)生位置隨機(jī)、觀測視場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題,準(zhǔn)確測量了合金熱壓縮過程的臨界開裂變形量,提高了觀測裂紋出現(xiàn)位置
5、及時(shí)間的精度。
通過對現(xiàn)有典型開裂準(zhǔn)則的理論分析以及所預(yù)測的開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)測熱壓縮過程發(fā)生的心部開裂,而C&L、O&K、Brozzo、McClintock、Oyane、R&T準(zhǔn)則均可預(yù)測赤道處自由表面開裂,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。基于引起Ti60合金韌性
6、開裂的誘發(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Ti60合金高溫?zé)嶙冃蔚捻g性開裂準(zhǔn)則。采用FORTRAN語言二次開發(fā)子程序?qū)嶙冃伍_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)組織和防止開裂為目標(biāo),對大尺寸 Ti60合金鑄錠進(jìn)行不同砧型(平砧、120oV型砧和U型砧)拔長、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開坯、鐓拔開坯和翻轉(zhuǎn)角度等不同工藝參數(shù)下的有限元模擬。
平砧拔長坯料端面開裂損傷嚴(yán)重及產(chǎn)生“端面窩心”缺陷,但實(shí)際開坯過程中無需更換模具,開坯效率較高。U型砧和120oV型砧具有較高
8、的心部應(yīng)變和較好的防開裂的效果,但型砧尺寸隨試樣截面尺寸變化而變化,開坯效率較低。
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?;趩蔚来蝺?yōu)化的工藝參數(shù),拔長開坯或鐓拔開坯時(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)明顯的開裂。且增加45°翻轉(zhuǎn)而進(jìn)行的六方拔長比90°翻轉(zhuǎn)進(jìn)行的四方拔長具有更好的截面應(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)化的開坯工藝參數(shù),大尺寸
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