熱加工圖理論與應(yīng)用

1、2021/3/261 熱加工圖理論與應(yīng)用熱加工圖理論與應(yīng)用 介紹內(nèi)容介紹內(nèi)容 一、熱加工圖的理論基礎(chǔ)一、熱加工圖的理論基礎(chǔ) 二、熱加工圖的構(gòu)建方法二、熱加工圖的構(gòu)建方法 三、熱加工圖的應(yīng)用實(shí)例三、熱加工圖的應(yīng)用實(shí)例 1、概述、概述 熱加工圖熱加工圖是表征材料固有加工性好與壞是表征材料固有加工性好與壞 的圖形。典型的熱加工圖如圖所示。的圖形。典型的熱加工圖如圖所示。 一、熱加工圖的理論基礎(chǔ)一、熱加工圖的理論基礎(chǔ) TC4 ELI鈦合金熱變形機(jī)理圖鈦合金熱變形機(jī)理圖 =0.6時(shí)時(shí)Ti40合金的加工圖合金的加工圖 l 熱加工圖的用途熱加工圖的用途: 運(yùn)用熱加工圖選擇變形工藝參數(shù)和改善材運(yùn)用熱加工圖選擇

2、變形工藝參數(shù)和改善材 料的加工性能。料的加工性能。 借用熱加工圖控制變形過程中形成的組織借用熱加工圖控制變形過程中形成的組織 結(jié)構(gòu)、形態(tài)和分析變形機(jī)制和組織演變規(guī)結(jié)構(gòu)、形態(tài)和分析變形機(jī)制和組織演變規(guī) 律。律。 利用熱加工圖分析塑性失穩(wěn)的原因、避免利用熱加工圖分析塑性失穩(wěn)的原因、避免 缺陷的產(chǎn)生。缺陷的產(chǎn)生。 加工性加工性指材料在塑性變形過程中不發(fā)指材料在塑性變形過程中不發(fā) 生破壞所能達(dá)到的變形能力。材料的加工性包括生破壞所能達(dá)到的變形能力。材料的加工性包括: 加加 工工 性性 材料固有的加工性材料固有的加工性 (Intrinsic Workability) 應(yīng)力狀態(tài)決定的加工性應(yīng)力狀態(tài)決定的加

3、工性 (State-of-stress Workability) 材料化學(xué)成分、原始組織狀態(tài)、材料化學(xué)成分、原始組織狀態(tài)、 加工歷史加工歷史 變形工藝（變形溫度、應(yīng)變速率變形工藝（變形溫度、應(yīng)變速率 和應(yīng)變量等）參數(shù)和應(yīng)變量等）參數(shù) 外界作用的應(yīng)力狀態(tài)外界作用的應(yīng)力狀態(tài) 變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài) 2、材料的加工性、材料的加工性 加工圖是表征材料固有加工性的圖形加工圖是表征材料固有加工性的圖形 6 2021/3/26 材 料材 料 固 有固 有 加 工加 工 性 的性 的 研 究研 究 內(nèi)容內(nèi)容 應(yīng)變速度敏感性應(yīng)變速度敏感性 溫度敏感性溫度敏感性 應(yīng)變速率和溫度的歷史效應(yīng)應(yīng)變速率和溫

4、度的歷史效應(yīng) 應(yīng)變硬化或軟化過程應(yīng)變硬化或軟化過程 內(nèi)部變形缺陷及其演變內(nèi)部變形缺陷及其演變 晶體結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律晶體結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律 用材料高溫塑性變形用材料高溫塑性變形 的流變應(yīng)力來反映的流變應(yīng)力來反映 研究動(dòng)態(tài)和靜態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶等研究動(dòng)態(tài)和靜態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶等 描述裂紋的形成和發(fā)展描述裂紋的形成和發(fā)展 7 2021/3/26 研究研究 材料材料 固有固有 加工加工 性的性的 方法方法 物物 理理 試試 驗(yàn)驗(yàn) 微觀組織分析微觀組織分析 實(shí)物解剖實(shí)物解剖 物理物理 模擬模擬 試驗(yàn)試驗(yàn) 拉伸拉伸 壓縮壓縮 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)模型 (Kinetic Model) 物物 理理 模模 型型 原

5、子理論模型原子理論模型 ( A t o m i s t i c Model) 動(dòng)態(tài)材料學(xué)模型動(dòng)態(tài)材料學(xué)模型 (Dynamic Material Model) 其它模型其它模型 Ashby-Frost 變形機(jī)制圖變形機(jī)制圖 Raj加工圖加工圖 8 2021/3/26 熱加工圖的主要兩大類熱加工圖的主要兩大類:Raj加工圖和基于加工圖和基于 動(dòng)態(tài)材料模型的加工圖。動(dòng)態(tài)材料模型的加工圖。 3.1 基于原子模型的基于原子模型的Raj加工圖加工圖 Raj等人根據(jù)以下等人根據(jù)以下4種原子活動(dòng)機(jī)制種原子活動(dòng)機(jī)制,建立的建立的 加工圖稱為加工圖稱為Raj加工圖。加工圖。 (1) 三角晶界點(diǎn)的楔形開裂三角晶界點(diǎn)

6、的楔形開裂; (2) 硬質(zhì)點(diǎn)周圍的空洞形核硬質(zhì)點(diǎn)周圍的空洞形核; (3) 絕熱剪切帶的形成絕熱剪切帶的形成; (4) 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。 從從Raj加工圖上加工圖上,可以看出不同區(qū)域的材料變可以看出不同區(qū)域的材料變 形機(jī)理。形機(jī)理。 3、熱加工圖的理論基礎(chǔ)、熱加工圖的理論基礎(chǔ) 9 2021/3/26 Raj加工圖的局限性加工圖的局限性: 適用純金屬和簡單合金適用純金屬和簡單合金, 復(fù)雜合金不適用復(fù)雜合金不適用; 需需確定大量基本參數(shù)確定大量基本參數(shù),涉涉 及較多原子活動(dòng)機(jī)制的及較多原子活動(dòng)機(jī)制的 理論知識(shí)理論知識(shí),作很多理論計(jì)作很多理論計(jì) 算才能建立此圖算才能建立此圖; 只建立幾種典型過

7、程的只建立幾種典型過程的 原子模型原子模型,不適用各種變不適用各種變 形機(jī)制形機(jī)制。 304奧氏體不銹鋼的奧氏體不銹鋼的Raj加工圖加工圖 但盡管如此但盡管如此,Raj開創(chuàng)了應(yīng)用理論模型研究材料開創(chuàng)了應(yīng)用理論模型研究材料 加工性的先河。加工性的先河。 韌性斷裂區(qū) 安全區(qū) 絕熱 剪切帶 楔形開裂 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 10 2021/3/26 Gegel和和Prasad等人等人,根據(jù)根據(jù): （1）大塑性變形連續(xù)介質(zhì)力學(xué)）大塑性變形連續(xù)介質(zhì)力學(xué) （2）物理系統(tǒng)模擬）物理系統(tǒng)模擬 （3）不可逆熱力學(xué)）不可逆熱力學(xué) 1） 動(dòng)態(tài)材料模型動(dòng)態(tài)材料模型 3.2 基于動(dòng)態(tài)材料模型的加工圖基于動(dòng)態(tài)材料模型的加工圖 理論

8、建 立 了 動(dòng) 態(tài) 材 料 模 型建 立 了 動(dòng) 態(tài) 材 料 模 型 （ D y n a m i c Material Modeling,即即DMM） 基于動(dòng)態(tài)材料模型的加工圖的特點(diǎn)基于動(dòng)態(tài)材料模型的加工圖的特點(diǎn):將外將外 界給予的能量（力作的功）與材料發(fā)生塑性變界給予的能量（力作的功）與材料發(fā)生塑性變 形消耗的能量聯(lián)系起來了。形消耗的能量聯(lián)系起來了。 11 2021/3/26 由此由此, 輸入能量輸入能量(P)矩形的面積矩形的面積 系統(tǒng)非線性能量耗散示意圖系統(tǒng)非線性能量耗散示意圖 l Gegel和和Prasad等人將加力的設(shè)備、模具和等人將加力的設(shè)備、模具和 工件視為熱力學(xué)封閉系統(tǒng)。工件視為

9、熱力學(xué)封閉系統(tǒng)。 即即 流動(dòng)應(yīng)力流動(dòng)應(yīng)力; 應(yīng)變速率應(yīng)變速率。 P 所以所以DMM熱加工圖可闡明外界作用的能量（力熱加工圖可闡明外界作用的能量（力 作的功）是如何通過工件塑性變形而耗散的。作的功）是如何通過工件塑性變形而耗散的。 12 2021/3/26 耗散量耗散量(G) 材料發(fā)生塑性變形所消耗的材料發(fā)生塑性變形所消耗的 能量能量,其中大部分能量轉(zhuǎn)化成了熱能其中大部分能量轉(zhuǎn)化成了熱能,小部分小部分 以晶體缺陷能的形式存儲(chǔ)。以晶體缺陷能的形式存儲(chǔ)。 耗散協(xié)量耗散協(xié)量(J)材料變形過程中組織演變材料變形過程中組織演變 消耗的能量。消耗的能量。 l 輸入能量輸入能量P是分為兩部分耗散（消耗）是分為

10、兩部分耗散（消耗） 00 ddJGP 所以所以, 13 2021/3/26 從原子運(yùn)動(dòng)角度能更清楚地闡明系統(tǒng)能量從原子運(yùn)動(dòng)角度能更清楚地闡明系統(tǒng)能量 分配率的物理意義。材料能量的耗散可分為勢能分配率的物理意義。材料能量的耗散可分為勢能 和動(dòng)能兩部分和動(dòng)能兩部分: 1）勢能勢能與原子間的相對(duì)位置有關(guān)與原子間的相對(duì)位置有關(guān),顯微組織顯微組織 的改變勢必引起原子勢能的變化的改變勢必引起原子勢能的變化,因而與因而與耗散協(xié)耗散協(xié) 量（量（J）對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng); 2）動(dòng)能動(dòng)能與原子的運(yùn)動(dòng)與原子的運(yùn)動(dòng),也即與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有也即與位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)有 關(guān)關(guān),動(dòng)能轉(zhuǎn)化以熱能形式耗散動(dòng)能轉(zhuǎn)化以熱能形式耗散,因而與因而與耗散量（耗散

11、量（G） 對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng)。 14 2021/3/26 l 功率耗散圖功率耗散圖 當(dāng)材料處于理想線性耗散狀態(tài)時(shí)當(dāng)材料處于理想線性耗散狀態(tài)時(shí),應(yīng)變速率應(yīng)變速率 敏感指數(shù)敏感指數(shù)m1,此時(shí)耗散協(xié)量此時(shí)耗散協(xié)量J達(dá)到最大值達(dá)到最大值 Jmax 。如圖。如圖。 為了描述材料成形過程中顯微組織演變消為了描述材料成形過程中顯微組織演變消 耗的能量所占比例耗的能量所占比例,引入引入功率耗散因子功率耗散因子 。 系統(tǒng)線性能量耗散示意圖系統(tǒng)線性能量耗散示意圖 max J J 所以, 15 2021/3/26 根據(jù)根據(jù) 算出不同的算出不同的 值值,然后將所得的然后將所得的 值值 表示在表示在T- (溫度應(yīng)變速率溫度應(yīng)變

12、速率)的二維平面上的二維平面上, 將相同的將相同的 數(shù)值連接起來數(shù)值連接起來,可以得到可以得到 的等值線的等值線, 這個(gè)等值線圖就是功率消耗圖這個(gè)等值線圖就是功率消耗圖,如下如下: Ti40阻燃合金功率耗散圖阻燃合金功率耗散圖 max J J 16 2021/3/26 2） 塑性失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則塑性失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則 引入塑性（變形）失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則引入塑性（變形）失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則,目的為了目的為了 獲得塑性失穩(wěn)圖。獲得塑性失穩(wěn)圖。 塑性變形過程中的塑性變形過程中的失穩(wěn)現(xiàn)象失穩(wěn)現(xiàn)象主要包括主要包括: 局部塑性流動(dòng)局部塑性流動(dòng) 絕熱剪切帶形成絕熱剪切帶形成 空洞形核空洞形核 開裂等開裂等 為了預(yù)測金屬材料塑性變形

13、中失穩(wěn)現(xiàn)象為了預(yù)測金屬材料塑性變形中失穩(wěn)現(xiàn)象,出出 現(xiàn)了幾種塑性失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則?，F(xiàn)了幾種塑性失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則。 17 2021/3/26 l 唯象準(zhǔn)則唯象準(zhǔn)則塑性變形穩(wěn)定準(zhǔn)則塑性變形穩(wěn)定準(zhǔn)則 Semiatin等人根據(jù)力平衡的原理等人根據(jù)力平衡的原理,建立與建立與加加 工硬化（或軟化）率工硬化（或軟化）率和和應(yīng)變速率敏感指數(shù)應(yīng)變速率敏感指數(shù)m有有 關(guān)的參數(shù)關(guān)的參數(shù)/m。 認(rèn)為鈦合金塑性變形準(zhǔn)則認(rèn)為鈦合金塑性變形準(zhǔn)則5是穩(wěn)定的。是穩(wěn)定的。 但該準(zhǔn)則完全根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取值但該準(zhǔn)則完全根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取值,沒有嚴(yán)密沒有嚴(yán)密 的理論依據(jù)的理論依據(jù)。 18 2021/3/26 l 動(dòng)態(tài)材料模型準(zhǔn)則動(dòng)態(tài)材料模型準(zhǔn)則 由

14、由不可逆熱力學(xué)極值原理各國研究者提出不可逆熱力學(xué)極值原理各國研究者提出: Gegel等人在應(yīng)變速率敏感指數(shù)等人在應(yīng)變速率敏感指數(shù)m值與應(yīng)變速值與應(yīng)變速 率無關(guān)的基礎(chǔ)上率無關(guān)的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了推導(dǎo)出了塑性穩(wěn)定判斷準(zhǔn)則塑性穩(wěn)定判斷準(zhǔn)則。 但該準(zhǔn)則必須符合本構(gòu)關(guān)系但該準(zhǔn)則必須符合本構(gòu)關(guān)系: 因此因此,該準(zhǔn)則有局限性。該準(zhǔn)則有局限性。 m C 19 2021/3/26 m2 Murty等人考慮等人考慮應(yīng)變速率敏感指數(shù)應(yīng)變速率敏感指數(shù)m不是常數(shù)不是常數(shù) 的情況下的情況下,提出提出任意類型的應(yīng)力和應(yīng)變速率（任意類型的應(yīng)力和應(yīng)變速率（ ） 曲線曲線的塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則的塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則: 或或 m20 只要只要 ,或

15、或 材料在變形過材料在變形過 程中都可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。程中都可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。 該準(zhǔn)則簡捷方便、分析嚴(yán)謹(jǐn)該準(zhǔn)則簡捷方便、分析嚴(yán)謹(jǐn),是最有應(yīng)是最有應(yīng) 用前景的一種判斷失穩(wěn)的準(zhǔn)則。用前景的一種判斷失穩(wěn)的準(zhǔn)則。 0 20 2021/3/26 根據(jù)判斷準(zhǔn)則根據(jù)判斷準(zhǔn)則,將計(jì)算出來的將計(jì)算出來的 值點(diǎn)在值點(diǎn)在: 變形溫度和應(yīng)變速率的二維平面上變形溫度和應(yīng)變速率的二維平面上,然然 后將相同的或接近相同點(diǎn)勾劃在一起后將相同的或接近相同點(diǎn)勾劃在一起, 就成了塑性失穩(wěn)區(qū)就成了塑性失穩(wěn)區(qū),就象前面介紹的就象前面介紹的 TC4ELI變形機(jī)理圖一樣的圖形變形機(jī)理圖一樣的圖形,構(gòu)成塑構(gòu)成塑 性失穩(wěn)圖。性失穩(wěn)圖。 21

16、2021/3/26 3）DMM熱加工圖熱加工圖 將將功率耗散圖功率耗散圖（功率耗散因子等值線圖）與（功率耗散因子等值線圖）與 塑性失穩(wěn)圖疊加塑性失穩(wěn)圖疊加就可得到就可得到熱加工圖熱加工圖。 完整的動(dòng)態(tài)材料模型完整的動(dòng)態(tài)材料模型DMM的熱加工圖的熱加工圖 功率耗散圖功率耗散圖塑性失穩(wěn)圖塑性失穩(wěn)圖 基于動(dòng)態(tài)材料模型基于動(dòng)態(tài)材料模型基于塑性失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則基于塑性失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則 22 2021/3/26 二、熱加工圖的構(gòu)建方法二、熱加工圖的構(gòu)建方法 1、先做熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)、先做熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn): 在熱變形范圍內(nèi)對(duì)變形溫度、應(yīng)變速率和在熱變形范圍內(nèi)對(duì)變形溫度、應(yīng)變速率和 變形量三個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行等差或等比均分變

17、形量三個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行等差或等比均分,組合組合 成多種實(shí)驗(yàn)條件成多種實(shí)驗(yàn)條件,如如: 2、獲取熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)后各種條件下的真應(yīng)、獲取熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)后各種條件下的真應(yīng) 力力應(yīng)變曲線。應(yīng)變曲線。 23 2021/3/26 3、對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行摩擦修正和溫度校正、對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行摩擦修正和溫度校正 0.00.10.20.30.40.50.60.7 0 50 100 150 200 250 300 350 /MPa 10s -1 1s -1 0.1s -1 0.01s -1 T=1100 0C 摩擦修正后的流變應(yīng)力曲線摩擦修正后的流變應(yīng)力曲線 （虛線所示）（虛線所示） 目的目的:消除摩擦和溫升的影響消除摩擦

18、和溫升的影響,盡量接近變形條件的盡量接近變形條件的 理想狀態(tài)。理想狀態(tài)。 采用古布金公式進(jìn)行摩擦采用古布金公式進(jìn)行摩擦 修正修正: ) 33 2 1 ( h rm z 式中式中 真實(shí)應(yīng)力真實(shí)應(yīng)力; Z測量應(yīng)力測量應(yīng)力; r摩擦因子摩擦因子; h試樣的瞬時(shí)高試樣的瞬時(shí)高 度度 24 2021/3/26 c d c W T 0 0.00.10.20.30.40.50.60.7 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 T=1000 0C /MPa 10s -1 1s -1 0.1s -1 0.01s -1 溫度校正后的流變應(yīng)力曲線溫度校正后的流變應(yīng)力曲線 （虛線所示

19、）（虛線所示） （Aresenault方法）方法） 利用利用 和和 公式對(duì)實(shí)驗(yàn)所得其應(yīng)力應(yīng)變曲線公式對(duì)實(shí)驗(yàn)所得其應(yīng)力應(yīng)變曲線 進(jìn)行溫度校正進(jìn)行溫度校正 。 w單位體積的塑性變形功單位體積的塑性變形功 u單位體積內(nèi)能量增量單位體積內(nèi)能量增量 材料的密度材料的密度 c材料的比熱材料的比熱 T材料溫度升高量材料溫度升高量 dw 0Tcu 25 2021/3/26 0.10.20.30.40.50.6 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 =0.01s-1 1100C 1050C 1000C 950C / MPa/ MPa 900C 0.10.20.30.

20、40.50.60.7 0 50 100 150 200 250 300 350 400 =0.1s -1 / MPa/ MPa 1100C 1050C 1000C 950C 900C 0.10.20.30.40.50.6 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 =1s-1 / MPa/ MPa 1100C 1050C 1000C 950C 900C 0.10.20.30.40.50.60.7 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 / MPa/ MPa 1050C 1100C 1000C

21、 950C 900C =10s -1 4、獲得修正后的真應(yīng)力應(yīng)變曲線、獲得修正后的真應(yīng)力應(yīng)變曲線 26 2021/3/26 采用采用3次樣條次樣條函數(shù)函數(shù)擬合擬合流變應(yīng)力流變應(yīng)力log 與與log 的函的函 數(shù)關(guān)系數(shù)關(guān)系,計(jì)算出計(jì)算出應(yīng)變速率敏感指數(shù)應(yīng)變速率敏感指數(shù)。 5、計(jì)算、計(jì)算 m值值 m m為應(yīng)變速率敏感指數(shù)為應(yīng)變速率敏感指數(shù): : log log )(log )(log , T m 27 2021/3/26 6、計(jì)算功率耗散率、計(jì)算功率耗散率 值值 利用利用Matlab軟件中的矩陣運(yùn)算得出軟件中的矩陣運(yùn)算得出 值值。 1 2 m m 7、構(gòu)建熱加工圖、構(gòu)建熱加工圖 在由溫度和在由溫度

22、和log 所構(gòu)成的平面內(nèi)繪制出不同真應(yīng)所構(gòu)成的平面內(nèi)繪制出不同真應(yīng) 變下等功率耗散率變下等功率耗散率 的的等值線圖等值線圖。將功率耗散效率因子。將功率耗散效率因子 的的等值線圖與塑性失穩(wěn)圖疊加在一起構(gòu)成了熱加工圖。等值線圖與塑性失穩(wěn)圖疊加在一起構(gòu)成了熱加工圖。 28 2021/3/26 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行古布金公式摩擦修正和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行古布金公式摩擦修正和AresenaultAresenault方法溫度校正方法溫度校正 3 3次樣條函數(shù)擬合應(yīng)力和應(yīng)變速率的函數(shù)關(guān)系次樣條函數(shù)擬合應(yīng)力和應(yīng)變速率的函數(shù)關(guān)系 計(jì)算應(yīng)變速率敏感指數(shù)計(jì)算應(yīng)變速率敏感指數(shù)m m 計(jì)算功率耗散率計(jì)算功率耗散率 按塑性失穩(wěn)判斷準(zhǔn)

23、則按塑性失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則 繪制流變失穩(wěn)圖繪制流變失穩(wěn)圖 繪制功率耗散圖繪制功率耗散圖( ( 等值線圖等值線圖) ) 在不同應(yīng)變下的加工圖在不同應(yīng)變下的加工圖 不同變形溫度、變形程度和應(yīng)變速率下進(jìn)行熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn)不同變形溫度、變形程度和應(yīng)變速率下進(jìn)行熱模擬壓縮實(shí)驗(yàn) 8、構(gòu)建熱加工圖的程序、構(gòu)建熱加工圖的程序 同同Raj加工圖一樣加工圖一樣,在基于在基于DMM模型的熱加模型的熱加 工圖上工圖上,也能表示材料安全區(qū)域和塑性失穩(wěn)區(qū)域以也能表示材料安全區(qū)域和塑性失穩(wěn)區(qū)域以 及不同的變形機(jī)制。及不同的變形機(jī)制。 DMM模型的熱加工圖模型的熱加工圖已已成功成功的用于研究的用于研究多多 種金屬及其合金種金屬及其合

24、金的熱變形行為的熱變形行為,如鋁合金如鋁合金,銅合金銅合金, 鎂合金鎂合金,鈦合金鈦合金,不銹鋼及鎳基合金等。不銹鋼及鎳基合金等。 三、熱加工圖的應(yīng)用實(shí)例三、熱加工圖的應(yīng)用實(shí)例 1、 Ti-6Al-4V鈦合金熱變形機(jī)理圖鈦合金熱變形機(jī)理圖 Seshacharyulu等人將加工圖理論用于分析初始狀等人將加工圖理論用于分析初始狀 態(tài)為片狀組織的態(tài)為片狀組織的Ti-6Al-4V ELI合金的合金的組織演變機(jī)理組織演變機(jī)理,歸歸 納出不同區(qū)域的變形機(jī)理如下圖所示。納出不同區(qū)域的變形機(jī)理如下圖所示。 Ti-6Al-4V ELI鈦合金熱變形機(jī)理圖鈦合金熱變形機(jī)理圖 不穩(wěn)定 片狀組織扭曲 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶 球化

25、原始晶界開 裂 絕熱剪切帶 開裂 從圖中可以從圖中可以直觀地觀察直觀地觀察到沿晶開裂、到沿晶開裂、 楔形開裂、絕熱剪切帶形成、片狀組織扭楔形開裂、絕熱剪切帶形成、片狀組織扭 曲、球化、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及曲、球化、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及不穩(wěn)定性區(qū)域不穩(wěn)定性區(qū)域, 據(jù)此可以方便地選取合理的工藝參數(shù)據(jù)此可以方便地選取合理的工藝參數(shù),避避 免缺陷產(chǎn)生。免缺陷產(chǎn)生。 l 由熱加工圖可確定由熱加工圖可確定: Ti40阻燃鈦合金在不同變形區(qū)域的阻燃鈦合金在不同變形區(qū)域的高溫高溫 變形機(jī)理變形機(jī)理。 塑性失穩(wěn)塑性失穩(wěn)區(qū)域。區(qū)域。 不同區(qū)域不同區(qū)域組織結(jié)構(gòu)。組織結(jié)構(gòu)。 由此由此,為控制為控制Ti40鈦合金組織演變和優(yōu)化鈦合金組

26、織演變和優(yōu)化 熱變形工藝提供理論依據(jù)。熱變形工藝提供理論依據(jù)。 2、 Ti40阻燃鈦合金的熱加工圖阻燃鈦合金的熱加工圖 33 2021/3/26 Ti40阻燃鈦合金應(yīng)變阻燃鈦合金應(yīng)變=0.4和和=0.6時(shí)的加工圖時(shí)的加工圖 (a) =0.4 (b) =0.6 功率耗散率功率耗散率 的最大值都是在溫度高的最大值都是在溫度高,應(yīng)變速率低處。應(yīng)變速率低處。 功率耗散率功率耗散率 的的最小值則都是在溫度低最小值則都是在溫度低,應(yīng)變速率高處。應(yīng)變速率高處。 對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果: n 試樣試樣45剪切開裂剪切開裂。 n與壓縮軸成與壓縮軸成45角彼角彼 此平行的此平行的剪切變形帶剪切變形帶 穿越晶

27、粒。穿越晶粒。 n有相互緊密排列的滑有相互緊密排列的滑 移帶移帶局部塑性流局部塑性流 動(dòng)特征動(dòng)特征。 原因原因:Ti40在此條件下塑性不好在此條件下塑性不好,與軸線成與軸線成45方向方向 切應(yīng)力最大。加之切應(yīng)力最大。加之 最低值最低值,大部分能量以熱的形式大部分能量以熱的形式 耗散。耗散。 在低溫、高應(yīng)變速率區(qū)在低溫、高應(yīng)變速率區(qū)(左上角左上角)加工加工,為失穩(wěn)區(qū)。為失穩(wěn)區(qū)。 在高溫、高應(yīng)變速率區(qū)在高溫、高應(yīng)變速率區(qū)（右上角）（右上角）, ,為失穩(wěn)區(qū)為失穩(wěn)區(qū)。 對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果: n豆腐渣式開裂豆腐渣式開裂。 原因溫度太高原因溫度太高,氧化氧化 現(xiàn)象非常嚴(yán)重。現(xiàn)象非常嚴(yán)重。 n縱向

28、開裂縱向開裂。原因。原因 與圓柱體試樣的環(huán)與圓柱體試樣的環(huán) 向產(chǎn)生了附加拉應(yīng)向產(chǎn)生了附加拉應(yīng) 力力,因此因此,與壓縮軸平與壓縮軸平 行方向開裂。行方向開裂。 在低溫、低應(yīng)變速率區(qū)在低溫、低應(yīng)變速率區(qū)（左下角）（左下角）。 對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果: n在此區(qū)域內(nèi)在此區(qū)域內(nèi),組織為拉長晶粒組織為拉長晶粒,沒有再結(jié)晶晶粒沒有再結(jié)晶晶粒 出現(xiàn)出現(xiàn),為典型的為典型的動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制,功率耗散率功率耗散率 為為 2232%,呈現(xiàn)出局部極小值。如果變形溫度太呈現(xiàn)出局部極小值。如果變形溫度太 低或者變形量太小低或者變形量太小,能量很容易通過回復(fù)而耗散能量很容易通過回復(fù)而耗散, 因而微觀結(jié)構(gòu)沒有太

29、大的變化因而微觀結(jié)構(gòu)沒有太大的變化,呈動(dòng)態(tài)回復(fù)特征。呈動(dòng)態(tài)回復(fù)特征。 在高溫、低應(yīng)變速率區(qū)在高溫、低應(yīng)變速率區(qū)（右下角）（右下角）。 對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果: n有大量晶界成有大量晶界成鋸齒狀鋸齒狀的的再結(jié)晶晶粒再結(jié)晶晶粒,為典型的為典型的 連續(xù)再結(jié)晶現(xiàn)象。原因連續(xù)再結(jié)晶現(xiàn)象。原因,溫度高溫度高,驅(qū)動(dòng)力大驅(qū)動(dòng)力大,易形易形 成新晶粒成新晶粒,在隨后的變形中在隨后的變形中,新晶粒再次承受變形新晶粒再次承受變形, 呈現(xiàn)鋸齒狀特征。呈現(xiàn)鋸齒狀特征。該區(qū)域該區(qū)域 值達(dá)到值達(dá)到6080, 正表明正表明組織演變耗散的能量最大。組織演變耗散的能量最大。 正 38 2021/3/26 功率耗散率功率耗散

30、率 值在值在3650 發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。 溫度溫度9501050、應(yīng)變速率、應(yīng)變速率0.11s-1(中間區(qū)中間區(qū)),為動(dòng)態(tài)為動(dòng)態(tài) 再結(jié)晶區(qū)再結(jié)晶區(qū)。 對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果: n在此區(qū)域在此區(qū)域,沿著沿著晶界分布著動(dòng)晶界分布著動(dòng) 態(tài)再結(jié)晶晶粒態(tài)再結(jié)晶晶粒,呈現(xiàn)大小晶粒混呈現(xiàn)大小晶?；?雜的現(xiàn)象雜的現(xiàn)象,即即混晶現(xiàn)象混晶現(xiàn)象。 n在相同的溫度和應(yīng)變速率下在相同的溫度和應(yīng)變速率下,隨隨 著變形量的增加著變形量的增加,或在相同的變或在相同的變 形速率和變形量下形速率和變形量下,溫度越高溫度越高,再再 結(jié)晶晶粒結(jié)晶晶粒越大越多越大越多。 39 2021/3/26 30 33 37

31、40 43 33 30 47 27 23 50 20 53 17 57 13 60 10 63 6.7 900920940960980100010201040106010801100 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 Log(Strain Rate /S -1) Temperature / 0C =0.6 Ti40阻燃鈦合金加工圖各區(qū)域?qū)?yīng)的試驗(yàn)結(jié)果阻燃鈦合金加工圖各區(qū)域?qū)?yīng)的試驗(yàn)結(jié)果 40 2021/3/26 運(yùn)用系統(tǒng)穩(wěn)定性分析原理運(yùn)用系統(tǒng)穩(wěn)定性分析原理, ,基于動(dòng)態(tài)材料模型基于動(dòng)態(tài)材料模型 （DMMDMM）建立了）建立了Ti40Ti40阻燃合金加工圖。阻燃合金加工圖。 由功率耗散率由功率耗散率可將加工圖分為三大區(qū)域可將加工圖分為三大區(qū)域: : 1 1）大應(yīng)變量、高