馬氏體不銹鋼熱變形行為及汽輪機葉片熱鍛過程多物理場數(shù)值仿真研究.pdf

1、決定金屬宏觀力學性能的主要因素是微觀組織，在金屬的熱鍛成形過程中，微觀組織會發(fā)生動態(tài)回復(fù)、動態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)回復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和亞動態(tài)再結(jié)晶等一系列變化，形成新的晶粒。在給定材料成分的條件下，變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變量是影響晶粒演化的主要宏觀因素。因此，如何通過控制熱鍛成形過程中的溫度、變形速度和變形量，來達到控制金屬的微觀組織以及產(chǎn)品的力學性能的目的，是近年來熱鍛成形研究中的熱點問題。本文以汽輪機葉片鍛造用馬氏體不銹鋼X20Cr13為主要

2、研究對象，基于熱壓縮實驗數(shù)據(jù)，建立微觀組織演變的數(shù)學模型，以商用有限元軟件為平臺，開發(fā)適合熱鍛過程的有限元變形-傳熱-微觀組織演化耦合分析系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)雜零件熱鍛過程多物理場數(shù)值仿真，以期為制定復(fù)雜鍛件的鍛造工藝提供依據(jù)。本文的主要研究工作如下：
　　在Gleeble-1500D熱模擬實驗機上，對X20Cr13馬氏體不銹鋼進行了單道次等溫熱壓縮實驗，獲得了其高溫流變應(yīng)力曲線。研究了不同變形溫度和應(yīng)變速率條件下的材料流變規(guī)律，基于Ar

3、rhenius方程，考慮應(yīng)變補償，建立了材料流變應(yīng)力模型，計算值與實驗值的絕對誤差平均值為3.30％，表明該模型可以比較準確地描述流變應(yīng)力與變形條件的關(guān)系。計算得到X20Cr13馬氏體不銹鋼的動態(tài)再結(jié)晶激活能為359.402 kJ/mol?；趧討B(tài)材料模型理論，采用Prasad失穩(wěn)準則，分析了應(yīng)變速率敏感系數(shù)隨變形溫度、應(yīng)變速率及應(yīng)變的變化規(guī)律，建立了X20Cr13馬氏體不銹鋼的加工圖。通過對功率耗散率和非穩(wěn)參數(shù)的分析，確定了X20Cr

4、13馬氏體不銹鋼實驗條件下的最佳工藝參數(shù)范圍，為該材料實際工藝的制定提供了指導(dǎo)。
　　基于等溫熱壓縮實驗獲得的高溫流變應(yīng)力曲線，通過回歸分析得到了流變應(yīng)力曲線峰值應(yīng)變、峰值應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)應(yīng)變、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力的表達式；通過對應(yīng)力/峰值應(yīng)力-應(yīng)變/峰值應(yīng)變的分析，提出了馬氏體不銹鋼動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應(yīng)變的數(shù)學表達式。采用該模型確定的X20Cr13馬氏體不銹鋼臨界應(yīng)變值與通過加工硬化率-應(yīng)力曲線方法獲得的值相近，證明了該模型的有效性。
　

5、　基于金相實驗分析，建立了動態(tài)再結(jié)晶動力學模型和晶粒尺寸模型。以位錯密度和晶粒尺寸為內(nèi)變量，并考慮動態(tài)再結(jié)晶對于位錯密度的影響，建立了X20Cr13鋼基于內(nèi)部變量的高溫流變應(yīng)力模型。該模型將回復(fù)參數(shù)分解為與變形溫度有關(guān)的分量和與應(yīng)變速率有關(guān)的分量，采用不同變形條件下臨界應(yīng)變之前的實驗數(shù)據(jù)來確定硬化參數(shù)和回復(fù)參數(shù)。將由于動態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致的位錯密度變化表示為平均晶粒尺寸的函數(shù)，將比例系數(shù)分解為與變形溫度有關(guān)的分量和與應(yīng)變速率有關(guān)的分量，采用不

6、同變形條件下臨界應(yīng)變之后的實驗數(shù)據(jù)進行擬合并采用三階多項式來表達。該模型考慮了微觀組織變化對宏觀應(yīng)力的影響，預(yù)測精度較高，為后續(xù)多物理場數(shù)值仿真提供了理論基礎(chǔ)。
　　采用雙道次熱壓縮實驗，分析了X20Cr13鋼亞動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶行為。金相分析表明：靜態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸主要受初始奧氏體晶粒尺寸和應(yīng)變量的影響，而亞動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸主要受變形溫度和應(yīng)變速率的影響。計算得到了X20Cr13馬氏體不銹鋼的靜態(tài)再結(jié)晶激活能為258.94

7、2 kJ/mol，亞動態(tài)再結(jié)晶激活能為271.645 kJ/mol，并建立了靜態(tài)軟化過程再結(jié)晶動力學模型和晶粒尺寸模型，為熱鍛過程多物理場數(shù)值仿真提供了基礎(chǔ)。
　　建立了X20Cr13馬氏體不銹鋼鍛造過程的多物理場耦合分析系統(tǒng)，進行了非穩(wěn)態(tài)熱壓縮試驗，驗證了動態(tài)再結(jié)晶體積分數(shù)和平均晶粒尺寸數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性。分析表明本文建立的流變應(yīng)力模型和微觀組織演化模型預(yù)測精度較高，并采用該系統(tǒng)首次對X20Cr13馬氏體不銹鋼汽輪機