一種建立tc6鈦合金鍛造成形微觀組織預測模型的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鐵合金鍛造成形微觀組織預測模型技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種建立 TC6鐵合金鍛造成形微觀組織預測模型的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鍛件在航空領(lǐng)域發(fā)揮著核必作用，航空鍛件的熱鍛過程是一個復雜的過程，由于 高溫和變形的同時作用，材料將發(fā)生明顯的微觀組織變化，例如晶粒長大、動態(tài)再結(jié)晶等， 對于TC6雙相鐵合金還會有相變和組織形態(tài)變化，送些微觀組織變化又影響了材料的宏觀 力學性能，在實際的鍛造生產(chǎn)中，在確保產(chǎn)品外形尺寸的基礎(chǔ)上，獲得滿足產(chǎn)品使用要求的 內(nèi)在質(zhì)量就成為塑性加工工藝的重要發(fā)展方向，因此鍛造過程微觀組織模擬與優(yōu)化是控制 產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)要求的必需且非常關(guān)鍵的方面。隨著計算機技術(shù)和現(xiàn)代變形理論 的進一步發(fā)展，對熱塑性成形的研究也進一步向微觀組織模擬研究和力學性能的預測與控 制發(fā)展。因而，對鍛造過程的研究不應該局限于形狀模擬，更應該在形狀模擬基礎(chǔ)上進行微 觀組織模擬與控制。
[0003] 人們迫切希望獲得一種技術(shù)效果優(yōu)良的建立TC6鐵合金鍛造成形微觀組織預測 模型的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種技術(shù)效果優(yōu)良的建立TC6鐵合金鍛造成形微觀組織預 測模型的方法。
[0005] 所述建立TC6鐵合金鍛造成形微觀組織預測模型的方法步驟如下：
[0006] ①等溫熱壓縮實驗：
[0007] 將TC6鐵合金昆料加工成〇8X12mm的標準圓柱試樣，在Gleeble-3500實驗機上 進行恒應變速率等溫熱壓縮實驗，變形溫度為80(TC，84(TC，88(TC，92(TC，95(TC，98(TC ;應 變速率分別為0. 5s 1，5s 1，50s 1 ;變形量為30%和60% ;
[0008] 目的是獲得TC6合金不同變形溫度下的微觀組織，對不同變形條件下等軸α相的 相含量和平均晶粒尺寸進行定量分析，為TC6合金鍛造成形微觀組織預測模型參數(shù)的確定 提供數(shù)據(jù)。
[0009] ②本構(gòu)方程的建立
[0010] 本構(gòu)方程是指材料的流動應力與熱力參數(shù)，如應變、溫度、應變速率等或微觀組織 狀態(tài)參數(shù)，如晶粒尺寸、位錯密度等之間的函數(shù)關(guān)系，它不僅為鍛造過程的數(shù)值模擬提供材 料庫，更是預測熱變形過程中組織演變的重要基礎(chǔ)。
[0011] 在Estrin-Mecking硬化模型理論中提出加工硬化階段的流動應力σ h與位錯密 度之間的關(guān)系如下：
[001 引
（1)
[0013] 式中，P為位錯密度，b為柏氏矢量，G為剪切模量，0。和α為材料常數(shù)；
[0014] 在熱變形過程中，位錯密度的變化規(guī)律如下：
[0015]
(2)
[001引式中，ki為與位錯的平均自由能有關(guān)的材料常數(shù)，k2為與位錯的重排或消失有關(guān) 的系數(shù)，是溫度與應變速率的函數(shù)。
[0017] 材料的加工硬化速率定義為：
[0018]
(3)
[001引 由式（1)~（3)可得：
[0020] σ h 目=ks-k* σ。2 (4)
[0021] 其中，k3和k4為材料常數(shù)；
[002引對式做進行積分，得出：
[0023]
(5)
[0024] 其中
為無軟化時的理想飽和應力，目=k4,為材料常數(shù)；
[0025] 定義流動應力軟化分數(shù)如下：
[0026]
^6；
[0027] 即 σ = σ h_(。h_ σ s)X (7)
[0028] 對于具有動態(tài)再結(jié)晶的軟化分數(shù)，用Avrami再結(jié)晶相變動力學形式表示如下：
[0029] X = 1-exp 巧（ε - ε c)n] 做
[0030] 其中，ε。為動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的臨界應變，可用峰值應變ερ近似代替，B為常數(shù)，η 為相變動力學指數(shù)。
[0031] 把式（5)和式（8)帶入到式（7)即可得到綜合考慮加工硬化和流動軟化的本構(gòu)方 程：
[0035] 根據(jù)流動應力數(shù)據(jù)和式（9)進行非線性擬合，可得出式（9)中各參數(shù)值；參數(shù)σ。、 目、Β和η在不同變形條件下為定值，0。= 5.4,目=78, Β = -7.6和η = 2 ;
[0036] 理想飽和應力、穩(wěn)態(tài)流動應力和峰值應變均為溫度和應變速率的函數(shù)：
[0040] 將參數(shù)σ。，目，Β和η值代入式巧），得到最終本構(gòu)方程如下：
[0041] σ = σ h_(。h-σ s)X
[0044] 根據(jù)流動應力數(shù)據(jù)和加工硬化和流動軟化的本構(gòu)方程進行非線性擬合，得到本構(gòu) 方程的各項參數(shù)。
[0045] ⑨微觀組織預測模型參數(shù)識別
[0046] 采用定量分析軟件Sisc IAS V8進行分析，對不同變形條件下等軸α相的相含量 和平均晶粒尺寸進行定量分析，結(jié)果參見附圖1、2。
[0047] 通過不同變形條件下等軸α相的相含量的演化規(guī)律，選用的Avrami再結(jié)晶相變 動力學方程，α相的含量借用動態(tài)再結(jié)晶百分數(shù)的表達形式用下式進行描述：
[0050] 式中，ε C是臨界應變，即ε。= -0. 45+0. 008811ηΖ，d。為原始晶粒尺寸（do = 9um)，T為絕對溫度，ε。5是發(fā)生50%動態(tài)再結(jié)晶時的應變，X為α相的體積百分比；利用 Matlab軟件對不同變形條件下等軸α相的相含量曲線進行擬合，得出片、1^、1^、44、1^和46 為常數(shù)，即 ki = -1. 44,1? = -〇. 628,1? = 0. 0001，k* = 1. 05, ks = -〇. 18, kg = 6875,得到 α相含量的表達式：
[0053]由于α相晶粒尺寸受溫度和應變速率的綜合影響，用溫度補償應變速率參數(shù)（即 Ζ參數(shù)）來表示α相晶粒尺寸演變規(guī)律，其表達式如下：
[0056] 式中；k、n為實驗常數(shù)；Ζ為Zener-Hollomon參數(shù)，其物理意義為溫度補償?shù)膽?速率因子；Q為變形激活能；R為氣體常數(shù)；廷為應變速率；T為絕對溫度；利用Matlab軟件 對不同變形條件下等軸α相尺寸曲線進行擬合，則不同變形條件下α相晶粒尺寸同Z參 數(shù)的關(guān)系如下：
[0057] D = 3. 6Ζ°'°ι5 Τ e 巧0(TC，89(rC ]
[0058] D = 144. 6Z 0 042 Τ e (890〇C，950〇C ]
[0059] 選用Avrami再結(jié)晶相變動力學模型和晶粒長大模型，通過分析軟件計算得到微 觀組織預測模型參數(shù)。
[0060] ④模型驗證
[0061] 在對微觀組織預測模型完成二次開發(fā)后，采用定量金相分析方法進行驗證；將數(shù) 值模擬的結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，具體參見附圖2。誤差分析結(jié)果表明相含量模擬結(jié)果和 實測值平均誤差為5.1%，α相晶粒尺寸模擬結(jié)果與實測值平均誤差為4. 5%。因此采用 該模型可W對TC6合金鍛造成形后的微觀組織進行預測，驗證了模型的可靠性。
[0062] 鍛造工藝決定鍛件的微觀組織，鍛件的微觀組織決定了鍛件的機械性能。因此預 測熱鍛過程中的微觀組織演化已成為控制鍛件機械性能的重要手段。研究TC6鐵合金鍛造 成形微觀組織的演變規(guī)律，建立其演變模型，用W預測該合金在熱變形過程中的微觀組織 分布，進而對力學性能進行預測和控制，對優(yōu)化工藝參數(shù)，提高鍛件質(zhì)量和性能具有重要意 義。
[0063] 本發(fā)明所述建立TC6鐵合金鍛造成形微觀組織預測模型的方法可W有效的掲示 TC6合金鍛造成形后微觀組織變化，對一定條件下的再結(jié)晶晶粒尺寸和再結(jié)晶體積百分數(shù) 進行預測，進而對力學性能進行預測和控制。對于分析材料變形特征和微觀組織變化，預測 鍛件的機械性能，優(yōu)化成形工藝具有重要意義。
【附圖說明】
[0064] 下面結(jié)合附圖及實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明：
[006引圖1為α相含量與變形溫度曲線示意圖；其中：叫應變速率為0. 5s 1，一^^應 變速率為5s 1，應變速率為50s 1 ;
[006引圖2為α相含量與變形溫度曲線示意圖；其中：應變速率為0. 5s 1，應 變速率為5s 1，應變速率為50s 1 ;
[0067] 圖3為α相晶粒尺寸模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比圖；
[0068] 圖4為相含量模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比圖。
【具體實施方式】
[0069] 實施例1
[0070] 所述建立TC6鐵合金鍛造成形微觀組織預測模型的方法步驟如下：
[0071] ①等溫熱壓縮實驗：
[0072] 將TC6鐵合金昆料加工成〇8X12mm的標準圓柱試樣，在Gleeble-3500實驗機上 進行恒應變速率等溫熱壓縮實驗，變形溫度為80(TC，84(TC，88(TC，92(TC，95(TC，98(TC ;應 變速率分別為0. 5s 1，5s 1，50s 1 ;變形量為30%和60% ;
[0073] 目的是獲得TC6合金不同變形溫度下的微觀組織，對不同變形條件下等軸α相的 相含量和平均晶粒尺寸進行定量分析，為TC6合金鍛造成形微觀組織預測模型參數(shù)的確定 提供數(shù)據(jù)。
[0074] ②本構(gòu)方程的建立
[0075] 本構(gòu)方程是指材料的流動應力與熱力參數(shù)，如應變、溫度、應變速率等或微觀組織 狀態(tài)參數(shù)，如晶粒尺寸、位錯密度等之間的函數(shù)關(guān)系，它不僅為鍛造過程的數(shù)值模擬提供材 料庫，更是預測熱變形過程中組織演變的重要基礎(chǔ)。
[0076] 在Estrin-Mecking硬化模型理論中提出加工硬化階段的流動應力σ h與位錯密 度之間的關(guān)系如下：
[0077]
Cl)
[007引式中，P為位錯密度，b為柏氏矢量，G為剪切模量，σ。和α為材料常數(shù)；
[0079] 在熱變形過程中，位錯密度的變化規(guī)律如下：
[0080]
(2)
[0081] 式中，ki為與位錯的平均自由能有關(guān)的材料常數(shù)，k2為與位錯的重排或消失有關(guān) 的系數(shù)，是溫度與應變速率的函數(shù)。
[0082] 材料的加工硬化速率定義為：
[0083]
C3)
[0084] 由式（1)~做可得：
[0085] σ h 日=ks-k* σ。2 (4)
[0086]