TB8合金熱變形組織介觀尺度研究與模擬.pdf

1、熱變形顯微組織演變的計算機(jī)模擬技術(shù)為材料顯微組織及其性能的預(yù)測和控制提供了新的途徑，促進(jìn)了材料熱塑性加工技術(shù)由“技藝”走向“科學(xué)”，成為國際上金屬塑性成形行業(yè)近年來的研究熱點(diǎn)之一。本文從介觀尺度出發(fā)，圍繞新型亞穩(wěn)β型鈦合金-TB8合金的熱變形組織展開，綜合運(yùn)用現(xiàn)代塑性加工學(xué)、金屬學(xué)、有限元方法、晶體塑性理論、元胞自動機(jī)方法等多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，對TB8合金形變及囤溶處理后顯微組織的演變進(jìn)行系統(tǒng)研究，模擬了合金的靜態(tài)再結(jié)晶行為，取得了一些有

2、意義的結(jié)論。這對于熱加工工藝方案的合理制定，促進(jìn)TB8合金的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用具有極為重要的理論價值和實(shí)際意義。
　　 本文基于Gleeble-1500型熱模擬機(jī)上進(jìn)行的等溫恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)以及后續(xù)的固溶處理試驗(yàn)，研究了TB8合金的熱變形行為，并采用雙曲正弦形式的流變應(yīng)力模型來描述合金的流變行為。在獲得的形變組織及同溶處理后的顯微組織金相照片的基礎(chǔ)上，定性、定量分析了變形溫度、應(yīng)變速率和變形程度對TB8鈦合金形變組織及固溶處理后顯

3、微組織的影響規(guī)律。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立了TB8合金固溶處理后顯微組織再結(jié)晶體積百分?jǐn)?shù)、平均晶粒尺寸與變形工藝參數(shù)間的預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好，表明采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以較為精確地預(yù)測TB8合金的顯微組織隨變形工藝參數(shù)變化而變化的情況，從而為TB8合金熱加工工藝的制定及顯微組織演變模擬提供更為科學(xué)的理論依據(jù)。
　　 為了更好地理解TB8合金的熱變形行為，采用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)對TB8合金的初始組織、形

4、變組織和固溶處理后顯微組織進(jìn)行表征。結(jié)果表明TB8合金高溫形變組織呈現(xiàn)出一定的形變不均勻性，這也是后續(xù)組織模擬從介觀尺度塑性變形的不均勻性出發(fā)的根本原因。TB8合金部分再結(jié)晶組織晶粒取向均表現(xiàn)出較強(qiáng)微織構(gòu)，動態(tài)再結(jié)晶的形核及長大與亞結(jié)構(gòu)的演變關(guān)系極為密切。靜態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生使得形變結(jié)構(gòu)有效減少，織構(gòu)明顯減弱，靜態(tài)再結(jié)晶晶粒不具有擇優(yōu)取向。
　　 基于正常長大的元胞自動機(jī)方法建立了TB8合金的初始組織，在宏觀熱力耦合模擬及EBSD測

5、試獲得初始組織晶粒取向的基礎(chǔ)上，建立了晶體塑性有限元模擬模型，對介觀尺度上TB8合金的熱塑性變形進(jìn)行數(shù)值計算。分析了應(yīng)力、應(yīng)變場和形變儲能場分布的特點(diǎn)，并討論了塑性變形過程中滑移系的開動情況。結(jié)果表明基于晶體塑性有限元方法可以獲得形變儲存能分布以用于定量表征塑性變形的不均勻性，從而為后續(xù)再結(jié)晶組織模擬提供物理基礎(chǔ)。
　　 基于形變不均勻性對再結(jié)晶行為影響的考慮，將晶體塑性有限元與介觀尺度元胞自動機(jī)方法相結(jié)合，建立了描述TB8合金

6、再結(jié)晶的介觀尺度模擬模型，對TB8合金再結(jié)晶行為進(jìn)行可視化模擬。首先提出一種基于加權(quán)平均的線性插值方法實(shí)現(xiàn)晶體塑性有限元畸變單元積分點(diǎn)上的形變儲存能等結(jié)果到元胞自動機(jī)的規(guī)則網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)傳遞，在此基礎(chǔ)上，建立了再結(jié)晶晶粒形核和生長模型，從而在模型中恰當(dāng)?shù)乜紤]了形變不均勻性，使得模擬具有較好的物理基礎(chǔ)。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明，本文所建立的晶體塑性有限元與元胞自動機(jī)耦合模型對再結(jié)晶組織進(jìn)行模擬可以獲得統(tǒng)計等效的顯微組織，與實(shí)際