论文摘要
计算机模拟技术在热变形显微组织演变方面的应用为材料显微组织及其性能控制和预测提供了崭新的手段,使得材料热塑性加工技术从经验技术工艺朝着科学理论工艺发展,成为了当前金属塑性成形行业的研究热点之一。金属在高温热形变过程中,相变常常发生在形变过程中,塑性形变和相变同步进行,在此过程中一方面相变的发生消耗了形变储存能,另一方面形变的发生义会造成新能量的积累和晶体缺陷的产生,其能量状态、缺陷分布等和先形变后相变过程不同,整个过程完全是动态的。研究学者们以早期研究的相关理论为基础,对于钛合金固态相变的研究已逐渐由金相观察及显微结构分析等实验方法研究发展为利用一些经典的相变理论模型,将实验研究方法和计算机模拟方法相结合,从而深入的研究钛合金在连续冷却过程、连续加热过程以及等温处理过程中的动力学机制及相变行为等。本文围绕新型近α型钛合金—TA15钛合金的热塑性变形组织,从介观尺度出发,综合运用现代塑性加工学、金相学、金属学、晶体塑性理论、有限元方法、计算机编程语言、元胞自动机理论等多种理论和方法,对TA15钛合金形变过程中的显微组织的演变及发生的相变和再结晶进行系统研究,模拟了合金的相变行为和动态再结晶行为,动态再现了相变和再结晶发生时的微观组织的演变情况,并得出了一些结论。这对于合理制定热加工工艺方案,促进钛合金的发展和实际应用都具有极为重要的理论价值和实际意义。本文基于Gleeble-1500型热模拟试验机上进行的等温恒应变速率压缩试验,研究了TA15钛合金在热塑性变形过程中的热变形行为,并采用双曲正弦形式的流变应力模型描述了合金在相转变温度点上下的流变应力行为。通过对获得的相变金相组织照片进行分析的基础上,定量、定性的分析了热变形工艺参数即变形温度、应变速率和变形程度对TA15钛合金形变组织及相变的影响规律。分析结果表明,随着变形温度的升高,在相转变温度点上下组织变化机理不完全一样。在相变温度以上,压缩变形水冷后发生马氏体相变,组织由马氏体相α′组成,随着应变速率的降低,马氏体相α′尺寸区域增大;在相变点以下,压缩变形水冷后发生马氏体相变和初生a相相变,并且随着应变速率的降低,初生α增多,马氏体相口α′尺寸增大。随着应变速率的降低;相转变温度点以下由于相转变及第一二相的长大和增多,合金性能也逐渐提高。这对于指定其合理的热加工规范以及优化工艺参数具有指导作用。本文基于经典塑性理论,将变形过程中的孪生儿何简化为等效的滑移,引入孪生体积分数,建立了滑移和孪生相互耦合的率相关多晶体塑性模型,并引入到后续有限元分析过程中。采用电子背散射衍射技术（EBSD）技术对TA15钛合金的初始组织和形变显微组织进行了表征。结果表明TA15钛合金高温形变组织呈现出一定的形变不均匀性,这也是为何后续的组织模拟从介观尺度出发模拟塑性变形的不均匀性的根本原闪。TA15钛合金的初始组织基于正常长大的元胞自动机方法和EBSD检测得到的数据建立得到,并在塑性变形宏观热力耦合数值模拟的基础上,建立了晶体塑性有限元模拟模型,从介观尺度层面上对TA15钛合金的热塑性变形过程进行了数值模拟计算。讨论了应力、应变场和形变储存能分布的特点,并讨论了滑移系在塑性变形过程中的开动情况。模拟结果表明基于晶体塑性有限元方法可以获得形变储存能分布以用于定量表征塑性变形的不均匀性,从而为后续再结晶组织和相变模拟提供物理基础。由于TA15钛合金在相变和再结晶过程中由于受到塑性变形不均匀性的影响,将晶体塑性有限元方法与介观尺度元胞自动机方法相耦合,建立了TA15钛合金相变和再结晶行为的介观尺度模拟模型,对TA15钛合金塑性变形过程中的相变行为和再结晶行为进行了动态可视化模拟。采用基于加权平均的线性插值方法实现晶体塑性有限元畸变单元上的形变储存能等结果到元胞自动机的规则网格中的数据传递,并在此基础上,建立再结晶晶粒形核和生长模型,从而在模型中恰当地考虑了形变不均匀性,使得模拟具有较好的物理基础：在建立相变模型时,考虑了热变形参数和塑性形变对相变行为的影响,建立相变转变条件及新相生长模型,并通过模拟过程中的晶格数目计算得到了再结晶和相变时的体积百分比,竟而计算得到生长动力学方程。建立了相变点以上和相变点以下的相变模拟模型,将模拟结果和实验结果进行对比,结果表明,本文所建立的晶体塑性有限元与元胞自动机耦合模型对TA15钛合金进行相变模拟和再结晶组织模拟可以获得统计等效的显微组织,与实际的组织演变物理机制是相符的,模型是可行的,这对于以后实际生产中优化工艺过程、控制产品质量和指导生产具有重要意义。