（机械制造及其自动化专业论文）机车用inconel751合金气门模锻成形过程数值模拟.pdf

摘要 生产大功率内燃机用l n c o n e l 7 5 1 台金气门的电镦加模锻工艺十分复杂，与传统的自由锻相比， 该工艺大大提高了生产效率和成材率。但由于该工艺还不够成熟，出现气门颈部晶粒粗大导致的 掉头现象。本文通过对i n c o n e l 7 5 1 合金高温压缩成形过程进行物理模拟试验、气门模锻成形过程 进行有限元数值模拟，确定了导致出现气门颈部晶粒粗大问题的根源，通过直接时效热处理细化 晶粒。 通过热模拟高温压缩试验，研究了i n c o n e l 7 5 1 合金高温变形时的力学行为和动态再结晶行为。 分析了变形温度、变形速率对流变应力曲线的影响规律，根据流变应力曲线和定量金相分析，采用 非线性回归方法，求得了i n c o n e l 7 5 1 合金的热变形激活能，建立了峰值应力和动态再结晶晶粒尺 寸同z e n e r - h o l l o m o n 参数之间的关系。绘制出高温变形时的动态再结晶图。 采用大型有限元分析软件m a r c a u t o f o r g e 3 1 对i n c o n e l 7 5 1 合金气门模锻成形过程进行模 拟，再现了典型工况条件下的材料变形过程中温度场、应变场、应力场和再结晶晶粒尺寸的演变， 确定了变形过程中变形抗力的变化情况，确定了导致气门颈部出现晶粒粗大的主要原因是初始品 粒尺寸的影响，通过解剖实物气门对比，模拟结果与实际基本一致。改变初始晶粒尺寸，通过模 拟计算得到初始晶粒尺寸小于1 51 1m 时，可以基本上消除颈部晶粒粗大区。 采用直接时效i n c o n e l 7 5 1 合金的晶粒尺寸明显降低，室温和高温拉伸性能和冲击性能明显提 高，这些都有利于提高气门的使用寿命。 关键词：l n c o n e l 7 5 1 合金，物理模拟，数值模拟，动态再结晶， 直接时效 a b s t r a c t l n c o n e l 7 5 1a l l o yi su s e dt op r o d u c ev a l v eo fh e a v y d u t ye n g i n eb yt h ee l e c t r i c a lu p s e t t i n ga n d p r e s sf o r g i n gt e c h n o l o g yw h i c hi sv e r yc o m p l e x c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lf r e ef o r g i n gt e c h n oo g y ，i t i m p r o v e st h ep r o d u c t i v i t ya n du t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fm a t e r i a l s b u tt h et e c h n o l o g yi sn o tm a t u r e ，t h e m a i np r o b l e mi sn e c kr u p t u r eb e c a u s eo fc o a r s eg r a i n s s ot h eh o td e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n dp r e s s f o r g i n gp r o c e s so fi n c o n e l 7 5 1a l l o ya r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gp h y s i c a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，t h e s o u r c eo fp r o b l e mw a sc o n f i r m e d ，f u r t h e r m o r e ，t h eg r a i nw i l lb es m a l l e rb yd i r e c ta g i n gh e a tt r e a t m e n t t h ef l o wb e h a v i o ra n dd y n a m i cf e c r y s t a n i z a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gh o tc o m p r e s s i o nt e s t s t h ei n f l u e n c el a w so fd e f o r m a t i o nr a t ea n dt e m p e r a t u r ew e r ea n a l y z e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n dq u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h y ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nh o td e f o r m a t i o na c t i v a t i o ne n e r g y ，p e a ks t r e s s ， d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ng r a i ns i z e ，a n dz e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，m e a n w h i l e ，t h e d y n a m i cr e e r y s t a u i z a t i o ng r a p ho fh o td e f o r m a t i o nw a sd r a w n b a s e do nm a r c a u t o f o r g e 3 1s o f t w a r e ，t h em o d e l i n gp r o c e s so fl n c o n e l 7 5 1a l l o yv a l v ew a s a n a l y z e d ，t h ev a r i a t i o n so ft e m p e r a t u r e ，s t r a i a ，s t r e s s ，d e f o r m a t i o nf o r c ea n dr e c r y s t a t l i z a t i o ng r a i ns i z e a m o n gp r o c e s sw e r eo b s e r v e d t h em a i nc a u s eo fc o a r s eg r a i no fv a l v en e c kr e s u l t e df r o mt h ei n i t i a l g r a i ns i z e t h e r ea r ei d e n t i c a lf o rm i c r o s t r u c t u r eb e t w e e nm o d e l i n gr e s u l t sa n dm a n u f a c t u r e dv a l v e ， t h r o u g hc h a n g i n gt h ei n i t i a lg r a i ns i z e ，b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，i tw i l lr e m o v et h ec o a r s eg r a i n b y c h a n g i n gt h ei n i t i a lg r a i ns i z ew h i c hi sl e s st h a n1 5um i no r d e rt og e tf i n eg r a i n ，t h ed i r e c ta g i n gh e a tt r e a t m e n tw a st a k e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a td i r e c ta g i n gw i l li m p r o v et h et e n s i l ep r o p e r t yi nr o o mlh i g ht e m p e r a t u r ea n ds h o c ks t m n g t hi n r o o mt e m p e r a t u r ec o m p a r i n gw i t hs t a n d a r dh e a tt r e a t m e n t ，b u tt h er u p t u r et i m ei nh i g ht e m p e r a t u r e d e c r e a s e d k e yw o r d s ：i n c o n e l 7 5 1a l l o y ，p h y s i c a ls i m u l a t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， d y n a m i cr e c r y s t a u i z a t i o n ，d i r e c ta g i n g ， 圃 独创性声明 y - 7 7 3 8 7 d 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 诌缘翘 时间：2 心年弓月，7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 潘缘起时间：渺年3 月萝日 日搁：劾铲岁月伊 第一章绪论 1 1 课题背景 i n t o n e l 7 5 l 合金是l n c o n e a 1 1 0 yx - 7 5 0 合金的改进型，增加了a 1 的含量，提高了持久强 度，使t 作温度提高到8 7 0 左右，此外，还简化了合金的热处理工艺，热处理时间由原来的1 8 h 缩短为9 h 。该合金是以a l ，t i 、n b 强化的镍基台金，具有良好的抗腐蚀彝l 抗氧化性，而且具 有高的热硬度，主要用作航空和工业燃气涡轮部件。由于该合金具有较高的高温强度、优良的耐 高温腐蚀和耐磨性能，在国外已经用于制造高负荷内燃机气门等部件。 在国内，为了满足铁路提速的需要，2 0 0 0 年以后。首次开始研制大功率内燃机用i n c o n e l 7 5 1 合金气门。该气门采用先电热镦粗后模锻成型工艺制造，但是在使用过程中出现了因气门颈部晶 粒租大而导致在服役过程中颈部过度磨损甚至断裂现象，使得气门的服役寿命达不到设计要求。 为了对气门的晶粒尺寸进行有效的控制，有必要对气门在电镦和模锻成型过程中的热变形规律和 组织演化过程进行系统的研究。 1 2 国内外研究进展 通过物理模拟所得结果与数值模拟模型结合起来，能够对金属变形过程进行定量数值描述 f 2 j f 3 】f 4 】 5 】，能够将机械的和热力学的参数耦合起来，研究合金组织和性能的变化。 德国科学家r k o p p 将金属成形过程的数值模拟分为三个阶段1 6 1 ：第一，宏观参数的分析。 如力、能量和功，主要集中在研究金属流动趋势和方向等。第二，变形参数的分析，如应力、应 变和温度等。第三，微观参数分析，显微组织演变等。在第三阶段，不仅采 物理的分析方法， 而且能对金属的变形行为和组织变化趋势进行模拟和预测。许多材料学家，在k o p p 的基础上， 对各种金属变形过程的数值模拟进行了广泛而深入的研究，如铸锭开坯、热部件成形【11 8 】和板材 轧制等金属成形过程。从7 0 年代起s e l l a r s l g l l ”】，已经对c m n 钢做了大量的研究工作，他的模型 主要研究了晶粒的再结晶行为和晶粒长大等组织变化。y a d a “】 1 2 1 以及其同事对n i p p o n 钢，s a t i o 对k a w a s a k i 钢，从晶粒度随工艺参数变化的角度做了相似的工作。1 9 9 8 年p r a s a d 等人对近2 0 年来数值模型化研究做了系统的总结和归纳，从优化加工工艺的角度，提出了当前数值模型化 研究应主要集中在反映金属的流动规律和组织的变化上，最终建立能反映流动应力与显微组织与 变形工艺参数之间关系的模型。实现对金属变形过程的合理控制，达到保证产品质量、提高生产 效率和降低成本的目的。 以下分别就金属成形过程研究的主要进展分开阐述，主要包括有限元方法和组织模型等。 1 2 1 有限元方法 近年来，数值分析方法己经发展成为求解科学技术问题的主要工具。目前，广泛应用于塑性 加工过程的数值模拟方法主要有三种方法：有限元法( f e m ) 、上限单元法( u b e t ) 和边界元法( b e m ) 。 上限单元法理论基础是上限原理这种方法具有计算量小、处理方法简便等优点是分析塑性加 工过程的有效工具之，但由于其单元类型单调针对具有复杂型腔的成形过程，上限单元法的 应用就受到很大的限制，况且上限单元法无法确定应力场。因此，主要用于具有简单模具轮廓的 稳态成形问题。边界单元法是将求解区域中的控制微分方程转化为定义在边界上的积分方程，并 中闽农业人学碗士学位论文第一章绪论 只对边界进行计算。与有限元法相比，边界元法的求解自由度和数据准备拦都大为减少，对于三 维或多维问题的求解具有一定的优越性。但是，边界元法的系数矩阵是满阵并且一：具备对称性， 因此就要求较人的储存量，对于大多数塑性加上问题，弹性区和塑性区往往升存，况且大变形【灵 域通常远离边界，使得边界积分范围难以确定，因而边界元的优势不能充分发挥，目前，多用于 温度场和以弹性变形为主的模具强度的计算。 有限元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接，其内 部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得，并由平衡关系戏能量关系建立节点 量之间的方程式，然后将各个单元方程组集合往一起而形成总体代数方程组计入边界条件后即 可对方程组求解。有限元法可以全面地考虑变形过程中材料的动态特性、各种边界和初始条件的 影响，即使对于复杂边界仍可达到满意的模拟精度。有限元法按其在金属成形领域中的应用和假 设简化条件，主要有以下几种：弹塑性、弹粘塑性、刚塑性以及刚粘塑性有限元法等。相对于前 几种方法而言，有限元法具有许多优点：简化假设少可在真实受力条件下进行计算，能包括材 料硬化效应、接触边界摩擦、变形温度等众多因素对成形过程的影响：计算结果信息量大，可进 行稳态和非稳态分析，并可对整个成形过程进行完整的模拟分析获得任意成形时刻变形体中的 应变场、应力场、速度矢量场、温度场等场变量，并能获得成形力曲线以及模具与变形体间的接 触压力等。此外还可以得到成形缺陷的产生及发展信息。冈此，有限元法己成为对塑性加t 过 程进行数值模拟的主要方法。 在大变形的金属成形问题中，有时可以忽略其中的弹性变形，而采用刚塑性材料模型。1 9 7 1 年德国的l u n g ，1 9 7 3 年美国的l e e 和k o b a y a s h l 分别提出t i 目t l 塑性有限元法。采用刚塑性 有限元法，由于不考虑材料弹塑性状态的变化，所以可采用比弹塑性有限元法人的增量步长从 而减少计算时间。但刚塑性有限元法不能确定刚性区的应力、应变分布，也不能处理卸载问题。 在锻造等体积成形问题中，金属材料的望性变形量很大；由于温度的影响，材料的弹性参数难以 确定；同时回弹的影响不大。因此，用刚塑性有限元法模拟体积成形过程是比较适宜的。 在金属成形过程中，工件发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存在几何非线形，在 材料的本构关系( 应力应变) 中存在材料非线形，即物理非线性。不仅如此，成形所用模具型面 的几何形状往往比较复杂。工件与模具的接触状态不断改变，摩擦规律也难以准确的描述。由于 以上种种原因，金属塑性成形问题难于求得精确解。有限元法是目前进行非线形分折的最强有力 的工具，因此，也成为金属塑性成形过程模拟的最流行的方法。 在塑性成形过程的有限元模拟中，根据应变与位移以及应变与应力之间的关系的不同可将有 限元法分为小变形弹塑性有限元法，有限应变弹塑性有限元法、刚塑性有限元法和粘塑性有限元 法。i l a l 1 2 1 1 刚塑性有限元法 刚塑性有限元法是忽略了材料塑性变形中的弹性变形，考虑塑性变形时的体积不变条件。它 可用来计算较大变形问题。刚塑性有限元法的理论基础是变分原理，它认为在所有动可容的速度 场中t 使泛函取得驻值的速度场就是真实的速度场。根据这个速度场可以计算出各点的应变和应 力。月n 塑性有限元的基本方程主要有： ( 1 ) 分平衡方程或运动方程： ，一只= 0 ( 1 1 ) ( 2 ) 速度和应变速率关系 i i = ( v f ，+ ”，) 2 式中：岛为应变速率，u 为速度a ( 3 ) 列维一密赛斯应力应变速率关系 e4 一d 悠h 假设材料符合密赛斯屈服准则，即 h & 搿 k 是变形过程的函数，如材料为理想刚塑性体时，k ：常数。 由上两式可得： d a = 缸s o2 鬲 这是符合密赛斯屈服准则的应力与应变关系式。 体积不可压缩条件； 岛一0 边界条件：边界条件分力学边界条件和位移边界条件，分别为 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 一) 厢百 仃，2p u=u ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) 1 , 2 1 2 刚一塑性变分原理 设一刚塑性变形体，体积为v ，边界表面为s 整个物体处于塑性变形状态。在表面的s r 部分给定表面力芦；，在表面的s v 部分给定速度砭，在满足速度和应变速率关系式( i - 2 ) 、体积 不可压缩条件式( i - 7 ) 和速度边界条件式( 1 - 9 ) 的一切动可容速度场中，使泛函 l - i2 伊张一l s p i v t d s ( 1 - 1 0 ) 取极小值( 即6 兀= 0 ) 所得到的速度场必为真实速度场。这就是m a r k o v 变分原理。式中：右 端第一项代表物体塑性变形的应变能变化率，第二项代表由于p i 对其作用点的位移( 速度) 做功 而造成的系统位能( 变化率) 的改变。p ；为表面作用力，当p ，是物体的表面摩擦力时，因为与位 移速度方向相反，做功为负，则右端的符号将变为正号，说明摩擦功使系统位能增加。 刚塑性有限元法借助于变分原理可求出近似解，对变形场的位能泛函进行变分，当变分取得 驻值时，变形场满足运动方程和力学边界条件。处理体积不变条件的方法有两种：一是在假设初 始速度场时，除了满足边界条件外，还应严格的满足体积不变条件，这种方法给假设初始速度场 带来困难。另一种方法是假设的初始速度场只满足速度边界条件，而对体积不变引入约束条件， 即拉格郎日乘子进行有条件变分，这种方法在运算中较易实现，目前已得到广泛应用。另外还有 罚函数法和体积可压缩法等。 拉格朗日乘子法把体积不可压缩条件用拉格朗日乘子引入泛函玎，得一修正泛函石： ? 俨肌p 鼬+ 俨和v ( 1 - 1 1 ) 其中a 是拉格朗日乘子，知= ，+ j ，+ g ：；巧的驻值条件是它的一阶变分为零： 勋= ，甜蔚y + ，a 峨+ _ r 觑，d v 一，p 加。搬= 0 ( 1 1 2 ) yry如 拉格部日乘子a 代表着一定的物理意义t 即当速度场为真解时，乘子a 等于静水压( 卅： 1 2 0 - m2 一, - 盯。 ( 1 - 1 3 ) 罚函数法是采用一个火的正数a 附加在体积不可压缩条件上，作为一个惩罚项引入泛函万，构 成个修止泛函： z 5 j = 歹劾y 一正，p d s + 詈工( 昂) 2 d v 其中，口为罚数。 体积可压缩法： j = l 石一i “d v l p 。v f l s p 5 n ( 1 1 3 ) ( 1 1 5 ) 其中，孑享；j 2 互l ，3 s 目s 口+ g o - ：1 。 -， 1 2 i 3 热边界面 ( 1 ) 对称面上的绝热边界条件：设几何对称面上两侧温度分布对称，在对称面上没有热交换， 即对称面上的边界条件是热通量0 = o 。 ( 2 ) 自由表面：工件的表面未与工具相接触，表面通过辐射和对流与外界进行热交换。在高温 变形时可忽略对流换热。在边界面s 上给定热辐射边界条件： 虿= 吼刮伍一f ) ( i 一1 6 ) 式中：o i 为玻尔兹曼常数；吼一5 6 7 x 1 0 。8 w ( m2 k 4 ) ；g 为物体表面黑度；五辐射表面 温度：己是外界环境介质温度：虿为辐射热强度，a 为形状影响因子。 为了把辐射换热边界条件归结为对流边界条件，使之与对流有相同的形式，上式改写为 虿。 ，a ( z s t ) 式中：h ，；仃。e r r s 2 + l 2 ) ( t + 疋) ，h r 为辐射放热系数。 ( 1 - 1 7 ) 对丁热交换： 虿= h 爿( t t ) ( 1 - 1 8 ) 式中：h 。为对流换热系数，虿对流换热强度。 ( 3 ) 热接触面：- _ l = 具和工件间在传递机城裁台的同时还有接触面之间的热蟮生成和交换，它是 热接触边界上的热力耦合的一种形式，有下式给出： a = h a ( t ，一z ) ( 1 一1 9 ) 式中：h 接触换热系数：已为工件温度；z 为工具温度；为形状影响因子。r a 1 2 2 组织模型研究 6 0 年代初，英国斯温顿研究所的研究人员提出铁索体一珠光体钢中显微组织与性能之间的定 肇关系，用表述各种强化机制作用的佩奇( p e t c h ) 关系明确表明了热轧时晶粒细化的重要性。在 低碳含量( 或低珠光体数量) 的钢中，细化的铁素体晶粒加上弥散沉淀析出的碳化物质点提高了 钢的屈服强度，同时也改善了钢的塑性和韧性。这使得各国学者从热衷于热塑变形过程中的动态 回复及再结晶，静态回复及再结晶的微观机理描述。转为研究主要集中在动态回复及荐结晶、静 态回复及再结晶以及晶粒长大过程的定量数学模型描述上。实际上，定量的数学描述比单纯的机 制描述更有意义。随着物理冶金的不断发展准确预测热轧过程组织变化及最终性能的研究一直吸 引人们更多的注意力。迄今，大量的数学模型研究仍然方兴未艾。比较不同的研究者所给出的公 式，我们会发现一般都是以a v r a m i 方程为基础f 1 ”i ，同一特征参量所涉及的变形工艺参数大致 是相同的但回归系数之间有一定差异。究其原因，化学成份和变形系数的变化是其产生差异的 重要因素。 1 2 2 1 动态再结晶组织演化的数学描述 关于热变形过程参数和组织演化之间的关系已由s e l l e r s 完成【1 6 1 。他建立了一系列经验方程。 涉及了重要的冶金变量；z e n e r - h o l l o m o n 参数、时间、温度和初始晶粒尺寸等。方程对低碳钢非 常有效，可以预测最大应变、软化百分数、再结晶量为5 0 的时闻、再结晶晶粒尺寸和冷却后铁 素体晶粒的大小。具体方程如下： ，= 4 9x 1 0 d 。i 7 2 2 “ = n s z = j e x p ( q r t ) ( 1 - 2 0 ) x = 1 - e x p ( 一0 6 9 3 ( t t 。) ) 式中，x 为再结晶百分数，o 为激活能，单位k j t o o l ，d 【为初始晶粒直径尺寸，单位um ，t 为 绝对温度；r 为气体常数，峰值应变s ，。表示发生动态再结晶时的临界变形量，a 为常数， z 为z e n e r - h o l l o m o n 因子。 后来他又讨论了不同热力学与组织结构的模型指出了温度和变形阻力测量时所引起的问 题。他认为基础数据对模型是必须的，包括材料的流动强度、动力学、组织变化范围以及表面条 件等。 日本的川崎钢、新日铁钢f 1 埘和l n s t i t u td er e c h e r c h e sd el as i d e r u r g i ef r a n c a i s e ( i r s l d ) 1 1 9 1 分 别给出了他们的研究结果： 新日铁钢 。= 4 7 6 x 1 0 4 e x p ( 8 0 0 0 7 ) d = 2 2 6 0 0 z “7 z = t e x p ( q r t ) a = 2 6 7 u j t o o l 小h 十佃3 ( 警) 2 ) 。= 1 1 4 4 x 1 0 5 d ? 4 l 。“e x p ( 6 4 2 0 t ) 川崎钢 t 一3 6 8 x 1 0 4 z “留 d 。= 2 8 2 1 0 z “4 ( 1 - 2 1 ) ( 1 - 2 2 ) ( 1 - 2 3 ) z = i e x p ( q r t ) o = 3 1 2 k t o o l 式中，x 。为动态再结晶量，o 为激活能，单位k 1 m 。i ，d o 为初始晶粒直 夸尺寸单位l im t 为绝对温度：月= 8 3 1 8 1 m o l 。k 一，峰值应变占f ，表示发生动态再结品时的l 临界变形量 p o 为应变，叠为应变速率，z 为z e n e r 。h o l l o m o n 因子。 对于钢的热轧过程中组织和力学性能方面，若干研究小组都成功预报了奥氏体晶粒大小和力 学性能，特别是c m n 钢。值得注意的是尽管每个研究组的方程对动态和静态再结晶动力学、再 结晶晶粒大小、晶粒生长动力学都有相似之处，但它们的意义不同。动态再结晶起因于i 临界应变 e 。，现已经发现临界应变。稍微比最大应变小些，s e l l a r s ”1 和s a i t o 【2 1 】已经应用i 临界应变、 z e n e r h o l l o m a n 参数和初始晶粒大小确定了动态再结晶的起始。通过一系列测量，s e n u m a 和 v a d a 【“i 发现临界应变独立于初始晶粒尺寸和应交率。t e g a r t 和g i t t i n s t “l 提出初始轧制道次可能冈 为高温和低应变率有助于动态再结晶。动态再结晶动力学中对单一峰值的流动曲线能通过a v r a m i 方程表示。川崎钢、z r s i d 的研究者和s e l l a r s 早期研究t 作，在他们的模型中并没有结合动态 再结晶动力学。注意如在给定条件下，平衡时晶粒尺寸比初始晶粒大两倍，那么粗化的晶粒将 代替细化的晶粒1 2 3 , 2 4 。s i w e c k i 完成了t i v n b 钢再结晶控轧温度为9 0 0 1 0 5 0 。c 时材料基本特性 对奥氏体演化影响的研究。如再结晶动力、再结晶晶粒尺寸、再结晶晶粒生长、静态回复等。这 些结果与s e l l a r s 的结果是一致的。y a d a 考虑金属强度与结构的关系，给出几个方程，对低碳钢 有效可确定临界应变动态再结晶、晶粒尺寸、静态再结晶百分含量、位错密度等。关于这方面 还有一些学者做了大量工作，如l a a s r a v u i 和j o n a s l z s l 、p i e e r z y k z 6 等。 1 2 2 2 晶粒尺寸模型 再结晶动力学和再结晶奥氏体晶粒尺寸已获较多研究2 7 。下面介绍五个在c - m n 钢中常用的 经验公式，包括s e l l a r s 和w h i t e m a n t ”i 给出的品粒直径与应变、z e n e r - h o l l o m o n 参数和奥氏体初 始晶粒之间的关系： d - 2 5 ( 1 4 9 2 5 1 n 等3 z ) 1 ( 1 - 2 4 ) 其中d 为奥氏体晶粒尺寸，d ，为再结晶平均晶粒尺寸z 为z e n e r - h 参数。c h o q u e t 等口9 l 给出的 方程含有相同变量： 口州”s “一t e x r ( 二孚) ( 1 2 5 ) r o b e f l s 等给出了类似的再结晶平均晶粒直径方程，但常数和指数是不同的。其方程起源于人量 的实验数据，方程为： 。，曲z 俩( 等) “ ( 1 2 6 ) l a a s r a o u i 和j o n a s t 2 3 1 给出了更多的简单形式方稃。晶粒直径是初始晶粒和当前应变的函数，目的 是能将方程应用在控制现场。方程为： d = 0 5 d o ”f 4 6 7 最后y a d a i “嗡出的变量是应变和初始晶粒。 p = 5 ( s ，s ) “ ( 1 - 2 7 ) ( 1 - 2 8 ) 其中：s ，= 玎2 4 e 0 4 9 1 e x p ( s ) + 0 1 5 5 e x p ( 一s ) + 0 1 4 3 3 e x p ( 一3 f ) 上面的模型已经跟有限元结合建立了热力耦合模型如与s i w e c k i s 方程联立可给出5 0 再结晶量 所需时间： f 。，= 5 1 0 4 1 s 。d 2e x p ( 3 3 0 0 0 0 r t ) 再结晶后晶粒生长： d 2 一研+ 即 和 d 2 一p 己+ 印 ( 1 - 2 9 ) ( 1 - 3 0 ) ( 1 - - 3 1 ) 这里k t 2 0 s ，p 。是在k 时的晶粒直径e 这种表示被证实是有效的，不论时间长短。参数k 和k ：与温度有关，定义为： l o g k = 6 6 6 2 0 0 t当t k ( 1 3 3 ) 注意：这些方程忽略了晶粒生长的反常情况。 1 ，2 3 金属热变形过程的热力耦合有限元分析 这里的热力耦合是指高温金属变形过程中的力和热的相互作用。金属材料热轧、锻造等过程 是工业生产中一个重要而复杂的工序，它不仅受材料的性能、变形温度、轧制速度、边界条件、 变形量和接触摩擦条件等因素的影响。还是一个三维热力耦合的非等温过程。研究该过程必须考 虑工件和轧辊之间的热传导、工件和周围环境之间的热辐射和热对流、以及由于金属变形和摩擦 产生的热量等一系列因素。这样复杂的过程要想单一的通过物理模拟和数学解析解找到过程变化 规律是非常困难的。近年来，随着有限元方法( f e m ) 的不断改进和计算机技术的发疑，数值模 拟技术日益成为强有利的工具。基本原理是利用修正的拉格朗日热力耦合方程，采用交替迭代方 法求解。在每个增量步开始时将几何形状更新，在新的坐标下分析温度场方程，采用非线性方程 迭代解法求热传导方程的等效温度场递推公式，收敛后，在同一增量步中，更新温度值，评价材 料的力学性质和热应变，迭代求解力平衡方程，收敛后，进行下一增量步的分析直到所需增量步 结束。组织演化过程的模拟计算通过有限元法温度场一应力场耦合分析引入理论推导、试验得到 的组织演化数学模型来实现m “i 。 1 3 气门材料及成形工艺国内研究进展 1 3 1 气f - l * ，t 料的研究与发展趋势 发动机的发展必然带动其材料的新发展。随着发动机功率与性能的不断提高，其工作温度也 在不断提高气阀的工作环境也是在不断的恶化，对用于制造气阀的材料的要求必然是越来越高。 在不断完善和改进现有气阀用材料的性能和加工工艺的基础上，也不断有新的气阀材料，新的加 工制造工艺提出。新材料、新工艺的提出等都是为了提高气阀的性能，使其能更好的去工作。现 在对于气阀新材料的研究，大多趋于高温合金的开发，因为高温合金有着较高的高温强度，具有 良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等综合性能，因此更适合于作 高负荷发动机的气阀。如n i 基、t i 基合金”等。t i 基合金具有良好的高温强度和抗磨损性能， 并具有质量轻的优势，适合作为高性能柴油机的排气阀材料。新工艺主要是从加工制造方面出发， 去提高材料的综合性能。如对于耐热钢，现在广泛采用的是表面堆焊工艺来提高气阀的耐磨性等。 也有采用陶瓷涂层等新工艺来提高其性能的。另外还有气阀杆中空充钠工艺1 以及气阀激光热处 理等新工艺来提高气阀的综合性能，延长其使用寿命。 高温合金虽然有很多的优点，但目前其制造费用还比较昂贵，在未来气阀发展中，必须研究出新 的低成本的高性能材料或提出新的低成本的制造费用工艺来。日本自8 0 年代以来，研制出的一系列 中国农业大学硕士学位沧文 笫一章绍论 低n i 气i | j | 合金，如6 0 n i 1 8 c r 、7 0 n i 1 9 c r 、4 0 n i 1 5 c r 等，其性能与i n c o n e l 7 5 1 合金相似，但成本却 远远低于i n c o n e l7 5 1 合金州。 目前，国内气门材料的研究上作主要集中在两个方面：第一是传统耐热钢成分优化和力学性能的 进一步提高；第二是研制以高温合金为主的新型气fj 材料，以满足制造大功率内燃机气j 的需要。 13 2 气门成形过程研究进展 气门的热加工成形工艺很多。目前国外大多采用比较先进的电镦加模锻上艺，并且通过物理 模拟和数值模拟方法对成形过程进行了一定的研究。国内主要是通过自由锻j 二艺成形，电镦加模 锻i ：艺在生产中的应用还很少，在成形理论方面仅是开展了初步的研究。 为了对气门的生产工艺进行进一步的优化，自上世纪九十年代开始。随着有限元理论的成熟 和计算机技术的飞速进步，对气门的成形工艺进行数值模拟己成为一种重要的手段。 由于电镦加模锻工艺加工的工件一般情况下都是大变形，对上件加工的数值模拟方法必然受 到有限元理论和方法发展的约束，虽然6 0 年代以来，出现了很多非线性理论和非线性有限元软 件的出现，但在电墩工件的数值模拟的工作进行的很少。德国亚琛大学的r k o p p 教授对这个工 艺过程进行了模拟，但并没有优化出合理的工艺参数的计算方法【3 7 】。俄罗斯人n b i b a 等人研究 了运用三维有限元模拟材料流动的新方法，使用他们所开发的模拟软件q f o r m ，对电镦工件的 温度场进行了数值模拟。以发动机气门热锻成型为例，在刚粘塑性有限元基础上，考虑变形过程中 的温度变化、动态再结晶、静态再结晶和相变等因素的影响，并进行综合模拟，预测了工件成型后 的晶粒大小，与实测结果进行比较，验证模拟结果的正确性”。 在国内，广州工业大学运用国产有限元软件m a f a p ( 锻压f ：艺过程模拟系统软件) ，对典 型气门毛坯的终锻成形过程进行数值模拟。研究其变形机理，分析成形过程中金属的流动、应变场 分布以及模具的受力等，为解决成形毛坯的质量问题和提高成形模具的寿命提供理论依据f 3 5 1 。华 中理工大学和重庆大学所作的数值模拟是建立在简化的数学模型的基础上，简化了加工过程中的 很多条件，对实际的加工工艺的指导性价值不大f 3 6 | 。 总之，气门的电热镦粗、模锻过程是一个很复杂的工艺过程，影响工艺过程的因素很多。由 于模锻后的组织和性能直接影响了气门的使用寿命，因此对模锻成形过程进行比较系统的物理模 拟和数值模拟就显得尤为重要。 1 4 本论文的主要研究内容 综合如上所述，本论文作为我国大功率内燃机气阀用高温合金研制开发项目的一部分，重点 开展了下面几项研究工作： ( 1 ) 通过研究i n c o n e l 7 5 1 合金高温压缩变形时的流变应力模型和变形过程中动态再结晶演 变规律，确定加工载荷与变形温度、变形速度之间的关系，动态再结晶晶粒尺寸与工艺参数之间 的关系。 ( 2 ) 采用大型有限元软件m a r c a u t o f o r g e 对i n c o n e l 7 5 1 合金高温在模锻成型过程进行数 值模拟。确定了在典型工况条件下，工件变形过程中温度场、应力场、应变场和动态再结晶组织 的演化规律。通过解剖实际模锻后的气门成品并与模拟结果相对比的方法，检验数值模拟的可靠 性。 ( 3 ) 分析对比亩接时效和标准热处理后的组织和性能。 ( 4 ) 往上述上作的基础上初步提h 解决气f 颈部晶粒粗大问题的1 ：艺方案。 翟型生篁生篁鲨誓0 = 警鲨盐譬盒鲨譬鲨譬墨篮鳖警i _ 第二章in c o n el7 5 1 合金热压缩变形过程的物理模拟 金属在高温变形过程中，将发生动态再结晶，产生新的晶粒，这种微观组织的演变在很大程度 上决定了产品的力学性能。通过控制热加工过程中的品粒人小，提高产品性能。另外，变形抗力与 变形条件有很大的关系，并且受组织变化的影响，动态再结晶过程是一个很复杂的过程，影响因素 较多，主要是变形温度、变形速率和变形量i 圳i ，为了得到合适的动态再结晶晶粒尺寸，同时为数 值模拟建立流变应力曲线的数据库，本章对i n c o n e l 7 5 1 合金热压缩变形过程进行物理模拟，确定热 压缩过程中变形载荷、动态再结晶晶粒尺寸和下艺参数之间的关系。同时，研究l n c o n e l 7 5 1 台金热 压缩变形过程中的组织演化过程和力学行为，对丁优化变形工艺参数，提高产品性能有重要意义 2 1 试验材料及方法 试验用合金的化学成分见表2 - 1 。i n c o n e l 7 5 1 合金采用真空感应炉冶炼，经锻造制成m 1 6 1 8 m m 的棒材，再加工成巾8 m m 1 5 m m 试样在g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟机上进行压缩试验。压缩过程中， 在圆柱体试样两端加放钽片，以减少摩擦对应力状态的影响。试验温度为：9 8 0 ( 2 、1 0 3 0 、1 0 8 0 、1 1 0 0 0 、1 1 3 0 ( 2 、1 1 5 0 c 、1 1 8 0 c 、1 2 0 0 。c ，变形速率为：0 0 0 5 、0 0 1 、0 0 5 、0 1 、1 0 、1 0 o 、 2 0 0 s ，最大真应变量为1 0 。热模拟试验的升温速率为l o 。c s ，保温时间为5 m i n ，压缩变形，试验 规范如图2 - 1 所示，变形完成后对试样水淬，保存高温变形下的组织。将以上淬火试样沿轴向切开并 制成金相试样，进行金相观察，用计点法测定其奥氏体晶粒平均截线长度( 或简称奥氏体平均晶粒 尺寸) ，进行晶粒尺寸统计，所选用的电解腐蚀剂为1 0 0 m i h n o 。+ l m l h f 溶液。 表2 - 1 试验用舍金化学成分( w t ) 2 2 试验结果与分析 日寸闸 图2 1 试验规范 2 2 1 流变应力曲线 整理g l e e b l e - 1 5 0 0 高温压缩试验所得数据，采用o r i g i n 6 0 软件做出相同温度、不同应变速率 - 1 3 - 翟型盐鲨崔鲨篁鉴耋土鲨譬监箸警鍪篮誊型翟翟【 相同廊变速率、不同漏度下的流变应力( 真应力一真应变) 曲线，平滑后得图2 - 2 、图2 - 3 和图2 - 4 其中o t 为真应力，单位为m p a ，e 。为真应变，f 为变形载荷，单位为k g 。 2 2 1 1 变形温度的影响 已 三 一 b 圈2 - 2 不同应变速率下变形温度对i u c o n e l t 5 1 合金泷变应力曲线的影响 应变速串：( a ) o 0 0 5s - l 0 0 1 s ( c ) 仉ls 1f d ) 1 , 0 5 _ ( e ) l o o s 1 2 0 o s i 图2 - 2 是l n c o n e l 7 5 1 合金在规定的应变速率不同变形温度的流变应力曲线，可以看出：热压缩 变形过程中发生了明显的动态再结晶1 ，在同一变形条件下，随着形变的增加产生加一i ：硬化，这是 1 4 中国农业人学硕j 二学位论史 笫一章i n c o n e l 7 5 i 台金热j 土缩变形过程的物理模拟 _ l l _ i - i _ _ _ _ l i i - _ - - l _ _ _ _ _ - i i l _ _ - _ i _ _ l _ _ l i 一 由于随着形变量增大，位错不断增殖，位错间的交且作用义增人r 何错运动的阻力，从而呈现加l ： 硬化现象。超过某一形变量后，变形储存能成为再结晶的驱动力，再结品可以消除或改变原来的形 变织构，发生动态再结晶软化，当软化速率与硬化速率平衡时流变应力达到最人值；随后随着动态 再结晶的进行，软化速率大丁硬化速率，应力逐渐f 降：鼍发生完全动态再结晶后，其晶粒组织莆l 流变应力不随形变量变化，进入稳态变形阶段。当应变速率相同时，变形温度越高，台金的流变席 力越低，这是由丁随着温度升高，滑移系的临界切应力f 降，合金的变形抗力降低。 2 2 1 2 变形速率的影响 在规定的变形温度下不同变形速率的流变应力曲线如图2 3 所示。可以看出1 n c o n e l 7 5 1 合金 热压缩变形时，同变形温度f ，应变速率越低，相同变形量，所对应的真应力越小。再结晶由形 核、长大过程组成，形核是个热激活过程。在低应变速率条件下，变形组织育较长的时闯形核长大， 核心形成的几率增加，因而再结晶更容易进行，流变应力更小。从图2 3 可以明显看出，同一变形 温度下，变形速率越低，峰值应力所对应的应变是越小，这是由于变形速率较低时，再结晶形核的 时间较长，形核量数量多，所以再结晶软化的作用强于加