钛合金高温变形时跨层次模型及数值模拟

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1、摘要摘要数值方法、计算机技术与材料加工理论相结合，对材料加工过程进行计算机模拟，预测材料的成形、微观组织、性能和质量，进而实现加工工艺的优化，有利于使材料热加工由“技艺”走向“科学”，为材料热加工技术的进步提供新的途径。材料在高温变形时不仅宏观力学性能会发生变化，内部的微观组织也会经历一系列变化，微观组织的变化又影响材料的宏观变形行为。从变形机理角度正确理解材料内部的微观组织演变与材料高温变形过程及其二者之间的交互作用，建立既能揭示塑性变形物理机制又能反映微观组织演变与宏观变形行为交互作用的跨层次模型是实现材料变形过程的变形一传热一微观组织

2、耦合数值模拟的基础，而且能科学地理解高温变形机理，为合理地确定锻造加工工艺和控制锻件质量提供了科学依据。本文以金属高温变形微观机理为基础，研究了微观组织与变形参数间的关系，以位错密度变化率为内变量建立了金属高温变形时的微观组织模型。并以TC6钛合金为例对该模型的可靠性进行了测试，结果证明该模型预测精度高，可较好地描述钛合金高温变形过程中的微观组织演变行为。对材料高温变形物理机制进行了系统研究，以位错强化机制与晶界强化机制为基础，建立了钛合金的塑性变形本构方程。该方程不仅可以定量计算不同的基体相和不同变形机制对流动应力的作用，而且可以反映微观

3、组织演变对宏观力学行为的影响，因此可以作为跨层次数值模拟的媒介。以TC6钛合金为例对该塑性变形本构方程进行了验证，结果证明该本构方程预测流动应力曲线可较好地描述TC6钛合金高温变形时的动态行为。带阻尼台叶片是航空发动机中一类重要且形状复杂的零件，对叶片的精锻过程进行三维数值模拟具有重要的理论意义和实用价值。将本文建立的反映变形与微观组织演变交互作用的塑性变形本构方程与传热分析相结合，建立变形一传热一微观组织的有限元耦合模拟系统。应用该系统对带阻尼台叶片的精锻过程进行了三维数值模拟，分析了变形工艺参数包括变形温度、变形速度、变形程度与摩两北_

4、r业大学T学博十学付论文擦条件对锻件内部应变场、应力场、温度场和微观组织场的影响，并对精锻过程中的晶粒尺寸进行了计算。本文实现了带阻尼台TC6钛合金叶片的精锻，对叶片进行了定量金相分析，并将分析结果与相对应的工艺方案的数值模拟结果进行了对比。结果表明，本文提出的微观组织模型的预测误差在10％左右，尤其是预测的晶粒尺寸在锻件内部的分布规律与实际锻件的测试结果基本一致，证实了本文提出的微观组织模型和塑性变形本构方程在TC6钛合金锻造过程的应用中具有较高的稳定性和可靠性。关键词钛合金；高温变形；叶片；微观组织：本构方程：三维数值模拟IIAbstr

5、actWitlltheapplicationofrecentachievementsofnumericalmethod．computert．eclmologyandmaterialsprocessingtheory,theplasticdeformationprocessescanbesimulated，andthefinalmicrostructure，mechanicalpropertiesandservicequalitiesofworkpiececanbepredicted，whichwillbebeneficialtothetra

6、nsitionfromskilltoscienceandinakeitsimprovementtobepossibleinhotforming．Duringhiglltemperaturedeformation,bethdeformationbehaviorandmicrostructureundergoaseriesofdynamicchangesandthemicrostruetureevolutionwillinfluencetheflowbehaviorofmaterials．Coupledsimulationofdeformati

7、onbehavior,heattransferandmicrostructureevolutionisbasedontheunderstandingofanjnteractionbetweenthedeformatiDnbehaviorandthemicrostructureevolution．Applyingthemulti—scalemodelstotheprocesssimulationofhi曲temperaturedeformation，itisscientificfoundationfortheunderstandingofde

8、formationmechanismandoptimizingtheprocessparametersandimprovingtheservicequalitiesofworkp