热加工图理论与应用

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,热加工图理论与应用,介绍内容,一、热加工图的理论基础,二、热加工图的构建方法,三、热加工图的应用实例,1、概述,热加工图,是表征材料固有加工性好与坏的图形。典型的热加工图如图所示。,一、热加工图的理论基础,TC4,ELI,钛合金热变形机理图,=0.6时Ti40合金的加工图,热加工图的用途,：,运用热加工图选择变形工艺参数和改善材料的加工性能。,借用热加工图控制变形过程中形成的组织结构、形态和分析变形机制和组织演变规律。,利用热加工图分析塑性失稳的原因、避免缺陷的产生。,加工性指材料在塑性变形过程中不发生破坏所能达到的变形能力。材料的加工性包括：,加工性,材料固有的加工性,(Intrinsic Workability),应力状态决定的加工性,(State-of-stress Workability),材料化学成分、原始组织状态、加工历史,变形工艺（变形温度、应变速率和应变量等）参数,外界作用的应力状态,变形区内的应力状态,2、材料的加工性,加工图是表征材料固有加工性的图形,材料固有加工性的研究内容,应变速度敏感性,温度敏感性,应变速率和温度的历史效应,应变硬化或软化过程,内部变形缺陷及其演变,晶体结构及其演变规律,用材料高温塑性变形,的流变应力来反映,研究动态和静态回复、再结晶等,描述裂纹的形成和发展,研究材料固有加工性的方法,物理,试验,微观组织分析,实物解剖,物理,模拟,试验,拉伸,压缩,扭转,动力学模型,(Kinetic Model),物理,模型,原子理论模型,(Atomistic Model),动态材料学模型,(Dynamic Material Model),其它模型,Ashby-Frost,变形机制图,Raj加工图,热加工图的主要两大类：Raj加工图和基于动态材料模型的加工图。,3.1 基于原子模型的Raj加工图,Raj等人根据以下4种原子活动机制，建立的加工图称为Raj加工图。,(1)三角晶界点的楔形开裂；,(2)硬质点周围的空洞形核；,(3)绝热剪切带的形成；,(4)动态再结晶。,从Raj加工图上，可以看出不同区域的材料变形机理。,3、热加工图的理论基础,Raj加工图的局限性,：,适用纯金属和简单合金，,复杂合金不适用,；,需,确定大量基本参数,，涉及较多原子活动机制的理论知识，作很多理论计算才能建立此图,;,只建立几种典型过程的原子模型，,不适用各种变形机制,。,304奥氏体不锈钢的Raj加工图,但尽管如此，Raj开创了应用理论模型研究材料加工性的先河。,韧性断裂区,安全区,绝热,剪切带,楔形开裂,动态再结晶,Gegel和Prasad等人，根据：,（1）大塑性变形连续介质力学,（2）物理系统模拟,（3）不可逆热力学,1）动态材料模型,3.2 基于动态材料模型的加工图,理论,建立了动态材料模型,（Dynamic Material Modeling，即DMM）,基于动态材料模型的加工图的特点：将外界给予的能量（力作的功）与材料发生塑性变形消耗的能量联系起来了。,由此，输入能量(P),矩形的面积,系统非线性能量耗散示意图,Gegel,和,Prasad,等人将加力的设备、模具和工件视为热力学封闭系统。,即,流动应力；,应变速率,。,所以DMM热加工图可阐明外界作用的能量（力作的功）是如何通过工件塑性变形而耗散的。,耗散量,(G),材料发生塑性变形所消耗的能量，其中大部分能量转化成了热能，小部分以晶体缺陷能的形式存储。,耗散协量,(J),材料变形过程中组织演变消耗的能量。,输入能量,P,是分为两部分耗散（消耗）,所以，,从原子运动角度能更清楚地阐明系统能量分配率的物理意义。材料能量的耗散可分为势能和动能两部分：,1）,势能,与原子间的相对位置有关，显微组织的改变势必引起原子势能的变化，因而与,耗散协量（J）,对应；,2）,动能,与原子的运动，也即与位错的运动有关，动能转化以热能形式耗散，因而与,耗散量（G）,对应。,功率耗散图,当材料处于理想线性耗散状态时，应变速率敏感指数,m,1,，此时耗散协量,J,达到最大值,J,max,。如图。,为了描述材料成形过程中显微组织演变消耗的能量所占比例，引入,功率耗散因子,。,系统线性能量耗散示意图,所以，,根据 算出不同的,值，然后将所得的值表示在,T-(,温度应变速率,),的二维平面上，将相同的数值连接起来，可以得到的等值线，这个等值线图就是功率消耗图，如下：,Ti40阻燃合金功率耗散图,2）塑性失稳判断准则,引入塑性（变形）失稳判断准则，目的为了获得塑性失稳图。,塑性变形过程中的,失稳现象,主要包括：,局部塑性流动,绝热剪切带形成,空洞形核,开裂等,为了预测金属材料塑性变形中失稳现象，出现了几种塑性失稳判断准则。,唯象准则,塑性变形稳定准则,Semiatin,等人根据力平衡的原理，建立与,加工硬化（或软化）率,和,应变速率敏感指数,m,有关的参数,/m,。,认为钛合金塑性变形准则,5,是稳定的。,但该准则完全根据实际经验取值，,没有严密的理论依据,。,动态材料模型准则,由,不可逆热力学极值原理各国研究者提出：,Gegel,等人在应变速率敏感指数,m,值与应变速率无关的基础上，推导出了,塑性稳定判断准则,。但该准则必须符合本构关系：,因此，该准则有局限性。,Murty,等人考虑,应变速率敏感指数,m,不是常数,的情况下，提出,任意类型的应力和应变速率（）曲线,的塑性失稳准则,:,或,只要 ，或 材料在变形过程中都可能发生失稳现象。,该准则简捷方便、分析严谨，是最有应用前景的一种判断失稳的准则。,根据判断准则，将计算出来的,值点在：,变形温度和应变速率的二维平面上，然后将相同的或接近相同点勾划在一起，就成了塑性失稳区，就象前面介绍的,TC4ELI,变形机理图一样的图形，构成塑性失稳图。,完整的动态材料模型DMM的热加工图,功率耗散图,塑性失稳图,基于动态材料模型,基于塑性失稳判断准则,3）DMM热加工图,将,功率耗散图,（功率耗散因子等值线图）与,塑性失稳图叠加,就可得到,热加工图,。,二、热加工图的构建方法,1、先做热模拟压缩实验：,在热变形范围内对变形温度、应变速率和变形量三个工艺参数进行等差或等比均分，组合成多种实验条件，如：,2、获取热模拟压缩实验后各种条件下的真应力,应变曲线。,变形温度（,）：,900,、,950,、,1000,、,1050,，,1100,应变速率（,s,-1,）：,0.01,，,0.1,，,1,，,10,变形量（,%,）,:10,、,30,、,50,、,70,3、对实验曲线进行摩擦修正和温度校正,摩擦修正后的流变应力曲线,（虚线所示）,目的：,消除摩擦和温升的影响，尽量接近变形条件的理想状态。,采用古布金公式进行摩擦修正：,式中,真实应力；,Z,测量应力；,r摩擦因子；,h试样的瞬时高度,温度校正后的流变应力曲线,（虚线所示）,（Aresenault方法）,利用 和 公式对实验所得其应力应变曲线进行温度校正。,w单位体积的塑性变形功,u单位体积内能量增量,材料的密度,c材料的比热,T材料温度升高量,4、获得修正后的真应力应变曲线,采用,3次样条,函数,拟合,流变应力log,与log 的函数关系，计算出,应变速率敏感指数,。,5、计算 m值,m为应变速率敏感指数：,6、计算功率耗散率,值,利用Matlab软件中的矩阵运算得出,值,。,7、构建热加工图,在由温度和log 所构成的平面内绘制出不同真应变下等功率耗散率,的,等值线图,。将功率耗散效率因子,的,等值线图与塑性失稳图叠加在一起构成了热加工图。,对实验数据进行古布金公式摩擦修正和Aresenault方法温度校正,3次样条函数拟合应力和应变速率的函数关系,计算应变速率敏感指数m,计算功率耗散率,按塑性失稳判断准则,绘制流变失稳图,绘制功率耗散图(,等值线图),在不同应变下的加工图,不同变形温度、变形程度和应变速率下进行热模拟压缩实验,8、构建热加工图的程序,同Raj加工图一样，在基于DMM模型的热加工图上，也能表示材料安全区域和塑性失稳区域以及不同的变形机制。,DMM模型的热加工图,已,成功,的用于研究,多种金属及其合金,的热变形行为，如铝合金，铜合金，镁合金，钛合金，不锈钢及镍基合金等。,三、热加工图的应用实例,1、,Ti-6Al-4V钛合金热变形机理图,Seshacharyulu等人将加工图理论用于分析初始状态为片状组织的Ti-6Al-4V ELI合金的,组织演变机理,，归纳出不同区域的变形机理如下图所示。,Ti-6Al-4V,ELI,钛合金热变形机理图,不稳定,片状组织扭曲,动态再结晶,球化,原始,晶界开裂,绝热剪切带,开裂,从图中可以,直观地观察,到沿晶开裂、楔形开裂、绝热剪切带形成、片状组织扭曲、球化、动态再结晶及,不稳定性区域，据此可以方便地选取合理的工艺参数，避免缺陷产生。,由热加工图可确定：,Ti40,阻燃钛合金在不同变形区域的,高温变形机理,。,塑性失稳,区域。,不同区域,组织结构。,由此，为控制,Ti40,钛合金组织演变和优化热变形工艺提供理论依据。,2、Ti40阻燃钛合金的热加工图,Ti40阻燃钛合金应变,=0.4和=0.6时的加工图,(a),=0.4,(b),=0.6,功率耗散率,的最大值都是在温度高，应变速率低处。,功率耗散率,的,最小值则都是在温度低，应变速率高处。,对应的试验结果：,试样,45,剪切开裂,。,与压缩轴成,45,角彼此平行的,剪切变形带,穿越晶粒。,有相互紧密排列的滑移带,局部塑性流动,特征,。,原因：,Ti40,在此条件下塑性不好，与轴线成,45,方向切应力最大。加之,最低值，大部分能量以热的形式耗散。,在低温、高应变速率区,(,左上角,),加工，为失稳区。,在高温、高应变速率区,（右上角）,，为失稳区,。,对应的试验结果：,豆腐渣式开裂,。原因温度太高，氧化现象非常严重。,纵向开裂,。原因与圆柱体试样的环向产生了附加拉应力，因此，与压缩轴平行方向开裂。,在低温、低应变速率区,（左下角）,。,对应的试验结果：,在此区域内，组织为拉长晶粒，没有再结晶晶粒出现，为典型的,动态回复机制,，功率耗散率,为,22,32%,，呈现出局部极小值。如果变形温度太低或者变形量太小，能量很容易通过回复而耗散，因而微观结构没有太大的变化，呈动态回复特征。,在高温、低应变速率区,（右下角）,。,对应的试验结果：,有大量晶界成,锯齿状,的,再结晶晶粒,，为典型的连续再结晶现象。原因，温度高，驱动力大，易形成新晶粒，在随后的变形中，新晶粒再次承受变形，呈现锯齿状特征。,该区域,值达到,6080,，正表明,组织演变耗散的能量最大。,正,功率耗散率,值在,36,50,发生动态再结晶。,温度,950,1050,、应变速率,0.1,1s,-1,(,中间区,),，为动态再结晶区,。,对应的试验结果：,在此区域,，沿着,晶界分布着动态再结晶晶粒，,呈现大小晶粒混杂的现象，即,混晶现象,。,在相同的温度和应变速率下，随着变形量的增加，或在相同的变形速率和变形量下，温度越高，再结晶晶粒,越大越多,。,Ti40阻燃钛合金加工图各区域对应的试验结果,运用系统稳定性分析原理，基于动态材料模型（DMM）建立了Ti40阻燃合金加工图。,由功率耗散率,可将加工图分为三大区域：,1）大应变量、高应变速率为失稳区；,2）低温、低应变速率为动态回复区；,3）高温、低应变速率是动态再结晶区。,选择合适的变形区域作为该合金的加工范围，既能保证不产生塑性失稳，又能得到大量再结晶的锻造组织，不仅解决了Ti40合金的锻造难题，也为研究难变形材料高温塑性变形行为提供了理论与实践的依据。,3、,Ti-17合金的加工图,应变0.6时的加工图(阴影区为塑性失稳区域),目的：研究片状,组织,球化规律。,按照同样方法，建立了,Ti-17,合金加工图。,耗散,效率,因子,的,峰值,(80,),出现在830,、应变速率为,10,-2,s,-1