（材料加工工程专业论文）纯铜连续挤压过程微观组织的研究.pdf

摘要 摘要 为进行纯铜连续挤压过程微观组织的研究，本文根据连续挤压的生产条件制定了 g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟实验的实验方案，测定了纯铜在高温压缩下的流变应力，研究变形 参数对流变应力和金相组织的影响，通过分析真实应力一应变曲线，建立了纯铜的本构 方程，获得了d e f o r m 数值模拟的材料模型；通过真实应力一应变曲线和金相组织的分 析建立了纯铜动态再结晶的数学模型；利用动态再结晶的数学模型结合有限元模拟软件 d e f o r m - 3 d ，模拟了纯铜连续挤压过程的微观组织；制备了纯铜连续挤压的试样，分析 了连续挤压过程的组织演变，最后得出以下的结论： 1 根据连续挤压的工艺条件，确定热压缩实验变形温度为2 0 8 0 0 ，变形速率为 0 0 1 s - 1 s ，变形后立即淬火。结果表明： ( 1 ) 流变应力随变形温度的升高而降低，在高温时随变形速率的增大而增大； ( 2 ) 变形温度对微观组织的影响很明显，在较低的温度3 0 0 下不发生动态再结晶， 3 0 0 - 5 0 0 发生部分动态再结晶，当温度升高到6 0 0 以上，就会发生完全动态再结晶； ( 3 ) 变形速率对微观组织也有一定的影响，在较高温度下，随着变形速率的增加，动 态再结晶晶粒尺寸越小。 2 基于纯铜的热模拟试验和动态再结晶的相关理论，提出了真实应力应变曲线和 唯象j m a 方程的动态再结晶模型， 3 利用动态再结晶数学模型在有限元模拟软件d e f o r m 3 d 中模拟纯铜热压缩变形 和连续挤压过程，得到的结论为：变形温度和变形量均影响晶粒大小；在孔型轧制区以 及摩擦剪切区晶粒大小基本不变。 4 根据纯铜连续挤压实验试样的金相组织分析可以得到：在孔型轧制区以及摩擦剪 切区晶粒只是沿变形方向被拉长，在镦粗区晶粒成胞状结构，在粘着区出现了剪切带， 在直角弯曲区出现了再结晶晶粒，扩展成形区细小的再结晶晶粒代替了原来粗大的柱状 晶。 关键词：纯铜连续挤压动态再结晶微观组织 大连交通大学丁学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt o s t u d yt h em i c s t r u c t i o nd u r i n g c o n t i n u o u se x t r u s i o n ，im a k et h ec a s eo f g l e e b l e 一1 5 0 0f o l l o w e db yp r o d u c tc o n d i t i o no fc o n t i n u o u se x t r u s i o n ，s t u d yh o wd e f o r m a t i o n p a r a m e t e ra f f e c tf l o ws t r e s sa n dm e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r e ，f i tc o n s t i t u t i o n a le q u a t i o no fc o p p e r b yt r u es t r e s s - s t r a i nc u r v e ，b u i l dm a t e r i a l sm o d e l l i n go fd e f o r m 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ： b u i dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o p p e rd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；s i m u l a t et h e r m a ld e f o r m a t i o n a n dc o n t i n u o u se x t r u s i o n b yc o n n e c t i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o p p e rd y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o na n dd e f o r m - 3 d w a t c hm e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eo fc o n t i n u o u se x t r u s i o n p r o c e s s 1 i na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t sf o rt h ep r o d u c t i o no fe x t r u s i o n t h ed e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r eo fh o tc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t si s2 0 - 8 0 0 ，t h ed e f o r m a t i o nr a t ei s0 0 1 s 1 s q u e n c h e di m m e d i a t e l ya f t e rd e f o r m a t i o n 1 1 h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) w i t ht h ei n c r e a s i n gd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ef l o ws t r e s sd e c r e a s e ( 2 ) d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea f f e c t st h em i c r o s t r u c t u r ec l e a r ：i td o s en o to c c u r r e n c e d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o na tar e l a t i v e l yl o wt e m p e r a t u r e ( b e l o w3 0 0 c ) ，a n di tp a r t l yo c c u r r e s t h ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nb e t w e e n3 0 0 a n d4 0 0 ，w h e nt h e t e m p e r a t u r eu pt o6 0 0 i t w i l lo c c u r c o m p l e t ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ； ( 3 ) t i l ed e f o r m a t i o nr a t ea l s oa f f e c t st h em i c r o s t r u c t u r e ，a tl o w e rt e m p e r a t u r e s ，w i t ht h e i n c r e a s i n gs t r a i nr a t e ，t h eo c c u r r e n c eo fd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ni sg r e a t e rp r o b a b i l i t y 2 b a s e do nt h ee x p a i m e n to fc o p p e rt h e r m a ld e f o r m a t i o na n dt h et h e r m a ls i m u l a t i o no f d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n t h e o r y ，p u t f o r w a r dt h e t r u es t r e s s s t r a i nc u r v e sa n d p h e n o m e n o l o g i c a lj 协e q u a t i o nm o d e lo fd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n 3 t a k ea d v a n t a g eo fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o ni n t h ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ed e f o r m 一3 ds i m u l a t i o no ft h e r m a ld e f o r m a t i o no fp u r ec o p p e r a n dc o n t i n u o u se x t r u s i o np r o c e s s ，t h ec o n c l u s i o n i s ：b o t ht h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea n d d e f o r m a t i o no ft h ei m p a c ta f f e c tg r a i ns i z e ；g r a i ns i z ei np a s sr o l l i n gs h e a rz o n e sa n da r e a so f f r i c t i o nr e m a i nu n c h a n g e d 4 a c c o r d i n gt ot h ec o p p e rm i c r o s t r u c t u r ed u r i n gc o n t i n u o u se x t r u s i o ne x p e r i m e n t ，i tc a n b e a n a l y s i s e dt h a t ：d r a w e do u ta l o n gt h ed i s t o r t i o no r i e n t a t i o nd u r i n gp a s sr o l l e dz o n ea n d r o l l i n gf r i c t i o ns h e a rd e f o r m a t i o nz o n e ，t h eg r a i nb e c o m ec e l ld u r i n gu p s e tz o n e ，i tp r o d u c e d s h e a rb a n d sa n ds u b s t r u c t u r e sd u r i n gs t i c k i n gs h e a rz o n e ，t h e g r a i nb e c o m ef i b r o u sa n da p p e a r d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nd u r i n gr i g h t a n g l eb e n d i n g ，t h eg r a i nb e c o m ec o m p l e t ed y n a m i c r e c r y s t a l l i z a t i o na n df o r mf i n er e c r y s t a l l z a t i o ng r a i nd u r i n ge x p a n s i o nf o r m i n gz o n e k e yw o r d s ：c o p p e r ；c o n t i n u o u se x t r u s i o n ；d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 王军 日期： 加7 年多月f 歹日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： l罕 日期： 加7 年月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名： y 月 汐 年 ： ： 矿 话编 沙 电邮 期 绪论 纯铜外观呈紫红色，故习惯称为紫铜。是人类历史上应用最早的金属，至今也是应 用最广泛的金属材料之一。主要用作导电、导热并兼有耐蚀性的器材，是电气仪表、化 工、造船、机械等行业中重要材料。 紫铜的相对密度为8 9 9 锄3 ，熔点为1 0 8 3 ，沸点为2 5 6 7 ，有顺磁性。纯铜的 导电性及导热性在金属行列中仅次于银，在2 0 c 时，铜的热导率是3 9 7 w mk ；电阻率 是1 6 7 3 0 x 1 0 4 0 锄，其电导率是银的9 4 ；铜的机械性能与物理状态有关，也受温度 和晶粒大小的影响；在延展性方面，仅次于金和银，处于第三位。又因为其具有高的耐 腐蚀性能，所以在空调和电冰箱的热交换器中被广泛应用。 l 琏续挤压原理 连续挤压的工作原理如图1 所示，连续挤压是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种塑性 加工技术，出于这种工艺方法巧妙地将通常在压力加工中起阻力作用的摩擦力转化为变 形的驱动力和使坯料升温的发热源，而且可连续挤出几千米乃至上万米的成卷制品，因 此使其成为一种高效、节能的加工新技术。d i 幽1 连续挤压原理翻 f i g1 t h ep d n c i p l e o f c o n t i n u o u se x t r u s i o n p r o c e s s 2 纯铜的连续挤压工艺 利用连续挤压工艺生产铜扁线，铜母线，换向器梯排，电力机车接触线以及其他实 心铜材，广泛的应用于变压器，大中型电机、高低压开关电器，直流电机换向器等制造 部门和电气化铁路，城市轨道交通等部门。纯铜的连续挤压不需要加热，产品不需要退 火，节能显著等特点而被广泛的应用，挤压后的产品组织致密，晶粒细化，导电性和机 鬣 大连交通人学工学硕+ 学位论文 械性能都有所提高。纯铜的连续挤压生产有t l j 2 5 0 ，t i _ j 3 0 0 ，t l j 3 5 0 ，t i _ j 4 0 0 连续挤压生 产机，杆坯直径由f8 m m 到f2 0 m m 。纯铜连续挤压的生产工艺为： 铜杆放线矫直连续挤压冷却系统收排线 3 研究内容 按照课题任务和规划的要求，确定本论文研究以下几个内容： ( 1 ) 做纯铜热模拟实验，分析真实应力应变之间的关系，计算出纯铜高温变形本构 方程作为有限元模拟时的材料属性； ( 2 ) 对热模拟实验的试样做金相分析，确定热力参数( 应力、应变、变形速率、 温度) 对微观组织的影响； ( 3 ) 对连续挤压全过程组织做金相分析； ( 4 ) 根据真实应力应变曲线和热模拟试样晶粒尺寸建立纯铜在高温压缩条件 下发生动态再结晶的百分比以及晶粒尺寸数学模型； ( 5 ) 研究有限元分析程序与动态再结晶和晶粒尺寸应用程序耦合的方法； ( 6 ) 揭示分析连续挤压过程内部动态再结晶和晶粒尺寸发生的规律和形成的机理 根据以上的研究内容指定的技术路线如下 2 第一章变形金属微观组织分析基础 第一章变形金属微观组织分析基础 1 1 热变形理论基础 为了更加系统深入地研究纯铜的热变形特性，首先对金属材料热变形过程的流变应力行 为及微观组织特征中的力学行为及微观机理要有全面的认识，因此有必要对热变形过程 中的动态软化行为和典型流变应力曲线特征进行概述 1 1 1 热变形过程的软化行为 金属在热变形过程中，一方面由于晶粒形状、尺寸会发生变化，晶粒间产生碎晶晶 格发生扭曲，增加了滑移阻力，从而产生“加工硬化”现象，在力学行为上表现为强 度和硬度的上升，而塑性和韧性下降；另一方面，由于热变形过程中具有较高的温度原 子运动加剧，金属内部产生位错的原子恢复正常排列，消除晶格扭曲，可使加工硬化部 分消除，这一过程称之为动态回复。随着变形量的增大，位错密度不断升高，变形储 能也增加，当达到一定临界值后，变形晶粒将会以某些亚晶或杂质相为核心生长成新的 晶粒，进而完全消除晶粒内部加工硬化，这个过程称为动态再结晶。 动态回复的进行主要是由于原子激活能升高，。运动加剧，使得晶格缺陷减少，力学、 性能得到了一定程度的恢复。在低温时，主要是由于点阵缺陷的运动和点缺陷的相互结 合，而在较高温度时，位错运动加强，异号位错可通过交滑移和攀移相互抵消，并出现 了亚晶的合并长大，位错密度降低【2 j 。 材料在一定变形条件下发生动态回复的应力一应变曲线如图1 1 所示，一般显示出两 个不同阶段： 第一阶段：曲线很快上升，斜率较大，随后斜率开始逐渐减小，表明在本阶段开始 时，塑性变形刚刚开始，动态回复尚未进行，或者进行得很小；随着变形量增加，动态 回复软化作用逐渐增强，“加工硬化 部分的被动态回复所引起的“软化 所抵消。但 在这个阶段过程中的硬化作用远远超过了软化作用，曲线仍成上升趋势。 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 o 8 图1 1 动态回复过程的应力应变曲线 f i 9 1 1s t r e s s - s t r a i nc u r v e sf o rd y n a m i cr e c o v e r y 第二阶段：随着变形量的增加，曲线接近一水平线，即达到稳态变形阶段。“加 工硬化 一大部分被动态回复所引起的“软化 所抵消，但仍然还存在部分加工硬化。 动态再结晶是通过结晶核心的形成和长大，最终形成无畸变的新晶粒的过程，可完 全消除晶粒的加工硬化，其形核机制主要有三种：【3 】( 1 ) 对于层错能高的金属，变形量 大时，主要是通过亚晶粒合并，形成大角度晶界，再由晶界迁移，扫除位错而形成再结 晶核心。( 2 ) 高层错能金属当变形量小时，由于相邻晶粒间存在较大的位错密度差，可 推动晶界的移动，晶界扫过的区域，位错密度降低而形成再结晶核心。( 3 ) 对于层错能 低的金属，位错密度高，易形成位错胞，但同时位错胞间的位向差较大，胞壁容易转变 为大角度晶界，并向外迁移，形成再结晶核心。 1 1 2 热变形流变应力曲线可分为三个阶段 热变形流变应力曲线可分为三个阶段1 4 j ：( 1 ) 加工硬化阶段：在这一阶段，一方面位 错密度不断提高，造成材料的加工硬化，另一方面，由于变形在高温下进行，变形过程 中所产生的位错一部分通过交滑移和攀移，异号位错相互抵消或滑出表面而消失，一部 分可进行重新排列形成亚晶界，从而形成动态回复过程。随着变形量的增大，位错的密 度不断增大，而使得其消失的速度也不断增大，加工硬化速率减弱。因此第一阶段曲线 的斜率越来越小，但总体上还是加工硬化起主导作用。因此流变应力随变形量的增大而 增加，直至变形储能达到动态再结晶临界值为止。在这一阶段中原始的晶粒组织将被拉 长。 4 第一章变形金属微观组织分析基础 a 8 图1 2 动态再结晶过程应力应变曲线 f i 9 1 2s t r e s s s t r a i nc u r v e sf o rd ) m a l i l i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ( 2 ) 部分动态再结晶阶段：当流变应力达到峰值后，随着变形量的进一步增大，流 变应力反而减小，这是由于金属内部的畸变达到一定程度后，变形储能达到了临界值变 形的晶粒组织将发生重新形核并长大，形成动态再结晶过程，使得更多的位错消失。随 着变形量的增大，动态再结晶速度加快，使得这一过程中因位错增殖而造成的加工硬化 越来越多地被动态再结晶所抵消。直至达到峰值之后。动态再结晶过程开始占主导作用， 流变应力便开始下降，但随后由于变形储能在再结晶过程中释放，动态再结晶速度也因 为驱动力的降低而变得缓慢，流变应力的下降速度也变慢，直到变形量达到某一数值时 变形的晶粒组织全部完成了动态再结晶过程。这一阶段中，既有还未完全再结晶的变形 晶粒，也有位于晶界处等轴的新晶粒。 ( 3 ) 完全动态再结晶阶段：当变形量达到一定值之后，流变应力便维持在某一稳定值， 这是由于加工硬化与动态再结晶达到了动态平衡，即位错的增殖与位错的消失趋于稳 定，此时的晶粒组织均为动态再结晶形成的新晶粒。 1 1 3 动态再结晶的分类 l u t o n 和s e l l a r s 5 】利用计算机模拟了动态再结晶，并详细分析了连续动态再结晶与 间断动态再结晶形成机制。当占。 f ，时，例如当变形速度很慢、变形温度很高或合金 含量很少时，动态再结晶可以在到达下一个临界变形占，之前充分完成，这样就形成了间 断动态再结晶。这时动态再结晶发生而使流变应力下降。动态再结晶完成之后由于再结 晶晶粒进一步的变形而造成加工硬化，使流变应力重新上升，由此产生了周期性抖动的 流变应力曲线，如图1 3 ( a ) 所示。 5 大连交通大学t 学硕十学位论文 s t r a i n s t r a i a ( a ) ( b ) 图1 3 两种动态再结晶的流变曲线特征 ( a ) 多峰值动态再结晶 ( b ) 单峰值动态再结晶 f i g1 3t w o k i n d so fs t r e s s s t r a i nc u r v e sf o rd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n ( a ) m u l t i m o d a ld y n a m i cr e c r y s t a u i z a t i o n ( b ) s i n g l ed y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o n 当， g ，时，把加工硬化和再结晶看成两个互相独立的事件，因此流变应力曲 线可以无限等幅抖动下去。而实际观察结果却是抖动不断衰减。针对这不足之处，s a t h 、 r i c h a r d s o n 与s e l l a r s 提出了一种更复杂的改进模型。 恒应力蠕变变形发生动态再结晶时会使应变速率增加，这种效应被称为“蠕变加速” 效应【酬。在热加工条件下，随应变速率的降低和温度的升高，发生不连续动态再结晶的 可能性增大，峰值应力和稳态应力之间的差值减小，达到峰值应力所需的应变量，也 减小，应变速率增高或晶界迁移速率降低时则易出现连续动态再结晶。发生动态再结晶 6 第一章变形金属微观组织分析基础 时对应的临界应变量随流变应力或参数值的增加而增大，随晶界可动性的增加而减小， 它还随杂质含量、溶质原子浓度、沉淀相的增加而增加。 由于材料中发生动态再结晶仍处于变形阶段，新晶粒在其有限长大的同时仍承受应 变，材料内应变能在零值到临界值之问连续变化，不同亚晶内的位错密度也存在差异。 正是这种亚结构使得流变应力始终稳定在静态屈服应力与峰值水平间的某一值的附近。 已再结晶的晶粒内部丰富的亚结构与静态再结晶晶粒中极低位错密度形成鲜明的对比， 是发生动态再结晶的有力证据。 1 2 动态再结晶数学模型 1 2 1 基于位错的动态再结晶模型 ( 1 ) s a n d s t r o m 和l a n g n e r b o r g 模型7 】 该模型系采用一种平均方法的思想，不涉及再结晶过程细节。在这一模型中，强调 晶内位错密度由亚晶界上的位错密度以和亚晶内的均匀位错密度肛组成。由于 砌 肛，位错密度作为再结晶晶界迁移驱动力时，只考虑成的贡献；但对新晶粒则只 考虑肛而忽略矶。为了计算动态再结晶体积分数x ，引入两个位错密度体积分布函数 g ( 肛，f ) 和g ( 店，f ) ，其变化受到应变硬化、动态回复和动态再结晶的控制。在给出临界 形核能，晶界迁移速率和单位体积可动晶界面积后，可建立再结晶体积分数变化率x 与 x = ( p a ) a ( p a ，f ) d 以 ( 1 1 ) 式中，以一临界形核能；d 一晶粒直径； ，一为常数；，( 几) 一晶界迁移速率； 儿一晶粒表面积 ( 2 ) s t u w e 模型【8 】 s t u w e 等人假定热变形金属的位错密度达到某一临界值佛后发生动态再结晶， 这时再结晶晶粒以某一速度长大并消耗晶内的位错密度，由于不断变形，使晶内位错密 度d p 班的速度增加，再结晶晶粒内的位错密度是否达到临界值并引起下一周期的动态 再结晶决定了未来流变应力曲线的形状。当再结晶晶粒内的位错生成率小于变形基体的 位错消耗率时可发生周期性的动态再结晶，反之则发生连续动态再结晶。 ( 3 ) 其他位错模型 金泉林【9 】认为，对动态再结晶过程进行数值模拟的关键是建立动态再结晶过程与宏 观变形的拟合关系。他将不可逆热力学的内变量与动态再结晶过程的微观机制相结合， 7 人连交通人学工学硕十学位论文 建立了描述动态再结晶过程的演化方程，提出了动态再结晶过程的演化方程和包含动态 再结晶过程的热塑性本构方程，并在数值模拟计算中取得较好结果。 上述以位错理论为基础的再结晶模型，虽然具有一定的物理基础，但由于位错密度 很难由实验进行定量测定，加之理论计算中又涉及很多难以获得的微观参数，从而使得 以位错理论为基础的再结晶模型在应用上受到了一定限制1 1 0 1 。 1 2 2 基于唯象j m a 方程的动态再结晶模型 唯象理论是在金属镍扭转实验的基础上提出来的。假设热变形量达到临界值，后 发生动态再结晶，而且发生过动态再结晶的晶粒可能再次发生动态再结晶。动态再结晶 是一个热激活过程。目前，大多数学者都采用唯象j o h n s o n m e h l a v r a m i ( j m a ) 方程来描 述动态再结晶动力学： ，一1 一e x p ( - b t ”) ( 1 2 ) 式中，f _ 再结晶体积百分比；b 、n 一常数；t _ 时间 t = 0 一f 。) l e( 1 3 ) 式中，f 应变；一临界应变；g 变形速率 用这种发放做出的人很多 1 2 3 其他表示方法 能量法【1 1 】 x 2 瓦e ( 1 4 ) e 0 、e 分别为原始和瞬时变形储存能。但是储存能难以在线测量，所以该法不便采用。 定量金相法| ! 1 1 】 x = v 懈 ( 1 5 ) 式中，圪，、v 。一总体积、再结晶体积。该定义虽然形象直观，但存在不容忽视的缺 陷，主要表现在：若要考虑某一状态热变形对应的再结晶体积百分数，需急冷至室温 以下以“冻结”高温组织。制样后，在显微镜或图像分析仪上观察测试。然而冷却需要时间， 在此阶段将发生亚动态再结晶或晶粒长大，所以测试结果并不能真正反应再结晶状态。 有的钢种如c m n 钢等在冷却过程中发生相变，原奥氏体晶界难以完整清晰地腐蚀、 显示出来，影响测量精度。据此。不难理解动态再结晶动力学数据分散性较大。 8 第一章变形金属微观组织分析基础 1 3 动态再结晶晶粒尺寸数学模型 对于动态再结晶，大量研究表明，稳态再结晶尺寸同z e n e r h o l l o m a n 参数有确定的 函数关系，提出了两种经验模型1 1 2 】。 ( 1 ) s e l l a r s 模型： d c z 嘞 ( 1 6 ) 式中，c 、以n 为实验常数。该模型获得了广泛支持。 ( 2 ) s e k i n e 模型： d = l o g a z 曲( 1 7 ) 式中a 、b 为常数。 1 4 基于物理有限元唯象耦合模型的数值模拟 目前，基于唯象模型的组织模拟与有限元技术、物理冶金结合为微观组织的研究提 供了一种非常有效的数值模拟方法。此方法首先是由于物理冶金技术发展，特别是物理 模拟实验设备一热模拟实验机( g l e e b l e ) 为物理模拟的发展提供了必要的条件。实验人 员在热模拟实验机上可以采用热压、热扭、热拉等方法，通过一次加载或重复加载等技 术，准确测定出试件的热应力应变曲线。其次是由于有限元分析软件的日益完善。有 限元模拟克服了简单解析模拟方法中假设变形体内各处应力、应变和应变速率均匀一 致，从而使金属变形时微观组织模拟达到很高的精度。 现在，国外的一些机构及企业已经开发了热轧模拟软件并实现了在线组织性能预 报。国内外许多研究者大多采用有限元软件及其二次开发或程序设计，实现轧制、镦粗 等热变形过程中微观组织演变及其可视化模拟。在组织性能预报方面，东北大学刘振宇 等【2 3 】取得比较突出的进展。侍新琳【1 3 】分析了纯铜高温压缩试验结果，得出了纯铜变形中 动态再结晶时峰值应力与变形条件的回归关系方程。吴瑞恒等【1 4 】应用g l e e b l e 1 5 0 0 热模 拟实验机测量了0 9 5 c 1 8 w 4 c r i v 高速钢的应力应变曲线，经过回归分析等到 0 9 5 c 1 8 w 4 c r 1 v 高速钢的动态再结晶的晶粒尺寸和体积分数的数学模型。张斌等【1 5 】 以热物理模拟实验研究为基础，得出了3 5 c r m o 钢发生动态再结晶市的数学模型，采用 热力藕合的弹塑性有限元对3 5 c r m o 结构钢在热变形过程进行了模拟，发现动态再结晶 首先发生在大变形区，随着应变的增加，逐渐向粘着区和自由区延伸。胡卓超等【1 6 j 利用 3 1 0 4 铝合金真实应力应变曲线和t e m 研究了其在高温压缩变形中的流变应力行为和 它的动态再结晶过程。邢相勤等【1 7 1 在单道次压缩变形实验中，利用g l e e b l e 2 0 0 0 热模拟实 验机测定了e h 3 6 船板钢的应力一应变曲线，研究了变形温度、变形速率对实验钢再结 9 人连交通大学t 学硕十学位论文 晶的行为的影响，建立了e h 3 6 船板钢的动态再结晶模型。刘友良等【1 8 】研究了工业纯铝 在等温压缩过程中流变应力特征和微观组织演变，发现在同一应变速率0 0 1 s 下，变形 温度为2 2 0 和3 0 0 时，真应力一应变曲线呈稳态特征，材料只发生了动态回复，当 t = 3 8 0 时，发生动态再结晶；在同一变形温度4 6 0 ，不同应变速率 ( 1 s ，0 1 s ，0 0 1 s ，0 0 0 1 s ) 下变形时发生了动态再结晶，动态再结晶机制是连续动态再结 晶和几何动态再结晶，其应力一应变曲线呈单峰特征。邹菲菲等【1 9 1 以热模拟实验为基础， 建立0 9 c u p t i r e 钢的动态再结晶模型，应用有限元模拟软件d e f o r m 模拟热压缩变形并 提取模拟信息，编程实现动态再结晶体积百分数分布的可视化。本论文就是利用基于物 理有限元一唯象耦合模型的数值模拟的。 1 5 有限元模拟 有限元法是随着电子计算机技术发展起来的一种功能强大且高效的数值分析方法。 其基本思想是结构离散化和分片插值。他把一个连续的、具有无限多自由度的整体划分 成有限个自由度的单元集合体，利用变分原理对单元近似求解以实现对整个连续体的数 值逼近。在场变量性质上，因其所给定的场变量有着明确的物理意义而受到工程界的普 遍重视。 2 0 世纪7 0 年代初，人们开始用有限元法分析金属成形中弹塑性问题。时至今日， 有限元法已经发展成能处理几乎所有连续介质问题的一种强有力的工程数值计算方法。 由于压力加工中的金属变形十分复杂，金属流动是在大位移、大应变条件下发生的， 这不仅涉及到材料的非线性，还涉及到由大位移引起的几何非线性。连续挤压是金属压 力加工工艺中先进的挤压技术，许多工艺参数还在摸索中，故用有限元法模拟研究连续 挤压生产过程是一种较为理想的工具。它不仅能详细给出连续挤压过程金属流动的应力 场、应变场的几何分布，还能考虑材料变形速度等因素。 1 5 1 有限元法的优点及其应用软件 有限元法的优点在于从理论上讲，各种金属材料的各类塑性成形过程都可以用有限 元法进行分析，而其他方法则受到种种限制能考虑多种外界因素对变形的影响，如温度、 摩擦、模具形状等能够获得成形过程的多方面信息，如成形力、应力分布、应变分布以 及对金属流动方向的预测等。这些参数本来需要通过实验才能获得，现在利用有限元法 来模拟成形过程即可求得。现在，用有限单元法计算工程问题已相当普遍。 铸造过程的模拟软件由p a m c a s t 、p r o c a s t 、m a g m s o f t 。 焊接过程的模拟软件有：s y s w e l d 、m a g s i m 、s p o t s i m 1 0 第一章变形金属微观组织分析基础 通用软件有：a b a q u s 、a n s y s 、n a s t r a n 、m a r c 。 在塑性加工中用的有限元软件是d e f o r m 3 d 1 5 2d e f o r m 3 d 软件的介绍 d e f o r m 系列软件是由位于美国o h i oc l u m b u s 的科学成形技术公司( s c i e n c e f o r m i n gt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 开发的。该系列软件主要应用于金属塑性加工、热处 理等工艺数值模拟。他的前身是美国空军b a t t e l e 实验室开发的a l p i d 软件。在1 9 9 1 年成立的s f t c 公司将其商业化，目前，d e f o r m 软件已成为国际上流行的金属加工 数值模拟的软件之一。主要产品有d e f o r m 2 d 、d e f o r m 3 d 、d e f o r m p c 、 d e f o r m - h tm o d u l e 、d e f o r m t o o l s 。d e f o r m ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o rf o r m i n g ) 是一套基于有限元的工艺仿真系统，主要用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工 艺和热处理工艺。二十多年来的工业实践清楚地证明了基于有限元法的d e f o r m 有着 卓越的准确性和稳定性。模拟引擎在大变形金属流动，行程载荷和产品缺陷预测等方面 同实际生产相符保持着令人叹为观止的精度。d e f o r m 无需试模就能够预测工业实际 生产中的金属流动情况，是降低制造成本，缩短研发周期的高效而实用的工具。通过在 计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：设计工具和产品工艺流程，减少 昂贵的现场试验成本；提高模具设计效率，降低生产和材料成本；缩短新产品的研究开 发周期。 1 6 纯铜的微观组织研究 近些年来，国内外对各种材料进行了微观组织的研究，特别是钢铁材料。而对铜及 其合金的研究还不是很多的。沈阳航空工业学院的侍新琳分析了纯铜高温压缩试验结 果，得出了纯铜变形中动态再结晶时峰值应力与变形条件的回归关系方程一佟铭明等i 驯 建立了一种基于能量判据来确定动态再结晶各个阶段临界应变的方法，根据此法来利用 m o n t ec a r l o ( m c ) 法进行了纯铜动态再结晶的二维模拟，定量计算了变形引起的存储能 与变形之间的关系，计算出发生动态再结晶的临界应变。刘东华等【2 1 】采用金相显微镜、 布氏硬度仪以及激光热导仪对三辊行星轧制过程中紫铜管的组织和性能进行了研究，在 三辊行星轧制过程中，存在着加工硬化和动态再结晶软化两个过程，急剧大变形使粗大 的铜晶粒破碎、滑移并产生大量热量，致使变形区温度急剧上升，最终获得了动态再结 晶组织；与此同时，硬度值表现为随变形量的增大而增加，因加工硬化和动态再结晶的 共同作用保持稳定，再结晶完成时硬度值下降，由于空洞等缺陷在变形过程中被抵消， 材料的热导率增大，再结晶开始后，晶粒变得细小，热导率下降。崔浩等【2 2 j 采用大变形 大迮交通人学 j 学硕十学位论文 异步叠轧方法制备超细晶铜，对其微观组织和力学性能进行分析。实验结果表明，利用 异步叠轧法制备超细晶材料可以达到细化晶粒的目的。大变形异步叠轧后铜的平均晶粒 尺寸由5 0 u m 细化到1 0 0 r i m ，抗拉强度达4 2 0 8 m p a 。为无氧纯铜抗拉强度的1 8 2 倍， 屈服强度为0 7 6 ，延伸率由原始的4 4 下降到7 2 ，显微硬度显著增加。丁雨田掣2 3 j 采用宏观温度场模拟与微观组织模拟相耦合的方法，建立了宏微观统一模型( 直接差分 一元胞自动控制模型) ，模拟纯铜热型连铸凝固过程各工艺参数对固液界面位置和晶粒 淘汰的影响。王彬等【2 4 】通过试验，选用较佳的热压烧结和冷压烧结工艺制得铜基电接触 材料，分析比较其微观组织与性能，结果是用真空热压烧结工艺制得铜基电接触材料的 电阻率可达2 4 5 u o c m ，硬度达5 7 4 h b ，相对密度可达9 0 以上。吴云忠等1 2 5 j 研究经室 温拉变形后的纯铜包覆铝合金的不同线径的线材的显微组织及力学性能。显微组织自原 始的等轴晶变为细长条纤维状，纤维直径与形变量近似地成反比，纤维长度与形变量的 平方近似地成正比，经室温拉变形的铜包铝线的极限抗拉强度随形变量增大而增大，与 形变量平方根呈直线关系，延伸率随形变量增大逐渐降低，但延伸率波动较大。根据原 始纯铜和合金铝的极限抗拉强度值，可以用复合材料强度的混合法则近似地预测不同线 径的铜包铝线的极限抗拉强度。 本章小结 本章简单的介绍了金属热变形的理论基础，动态再结晶的数学模型，有限元模拟的 方法以及提出纯铜微观组织研究。最后得出本论文就是利用基于物理有限元唯象耦合 模型的数值模拟的。 1 2 第二章纯铜热乐缩实验 第二章纯铜热压缩实验 物理模拟是在实验条件下选取合适的试样，采用合理化的实验工艺，应用先进的测 试和分析手段，尽可能逼真地记录加工生产过程中人们关心的某一过程，某一环节。它 可以避开通过实际生产过程研究问题时情况复杂、影响因素多和不必要的浪费等诸多不 利因素，以小试样迅速精确和有针对性地揭示材料在加工过程中组织和性能的变化规 律，从而预测评定材料在加工过程中出现的问题，为新材料的研制，新工艺的开发提供 科学依据。 物理模拟研究的主要内容包括变形过程中工具和工件之间的摩擦、工件材料的物理 特性以及工件在变形过程中的力学行为和组织演变等。材料变形过程中的变形条件对金 属材料的流动力学行为以及组织演变具有重要影响。所以，。要得到一个能精确地描述变 形过程中各参数的变化情况的物理模拟，需要作大量的工作。 金属高温塑性变形行为的研究主要包括探明材料在高温变形过程中的流变应力行为，获 得高温本构关系，为实际生产工艺的制定提供依据。研究材料高温塑性变形行为通常借 助一些基本的实验方法，常用的方法有三种，即单轴拉伸、扭转和压缩等。在很多重要 的金属成形工艺( 包括锻造、轧制、挤压、拉拔等) 的优化设计和实施之前，均要求事先 借助这些方法了解材料在不同变形条件厂的塑性变形行为。这些基本的实验方法的采用 还有利于塑性加工成形工作者对新材料进行开发、研制和分类时，建立其有关材料高温 塑性变形特点和成形性的指标。用拉伸、扭转和压缩等方法求得应力应变关系数据， 可用于分析变形过程材料的塑性变形行为。 2 1 实验设备g l e e b l e 一1 5 0 0 热力模拟机的简介 金属的热变形过程，变形时的力学性能参数、热塑性、显微组织及相变行为等础研 究工作和生产工艺过程的模拟都可以在热加工模拟试验机上进行。g l e e b l e 实验机的突出 优点是加热速度、冷却速度非常快，为提高产品质量、改进工艺及新产品、新工艺的开 发提供可靠的数据l n l 。 ( 1 ) 热力模拟机的结构 具有综合功能的g l e e b l e1 5 0 0 热力模拟机由三个主要控制系统和五个设备单元 构成。另外，还有许多辅助设备，增强了设备的功能和试验能力。三个主要控制系统是 计算机控制系统、热控制系统和力控制系统。设备的五个单元是；计算机终端、主控单 元、试验单元、液压动力单元和真空单元构成。此外，还有淬火系统，绘图仪和空压机 等。 1 3 人连交通大学t 学硕十学位论文 ( 2 ) 计算机程序语言 g l e e b l e l 5 0 0 的计算机系统使用专用软件，即g p l 语言。g p l 是g l e e b l e 程序语言的缩 写。( g l e e b l ep r o g r a m i n gl a n g u a g e ) 。g p l 语言是面向式语言。程序语言显示所需要的数 据栏，提醒用户逐段输入数据，最终连接成坐标曲线，为热模拟实验编程。程序同时控 制温度和力能参数。力学和温度参数编入程序后，可独立运行，也可以同时运行。程序 以设定的温度、力学值和完成以上两个参数所需要的时间值来输入。g p l 语言中有许多 功能菜单，其上有各功能键的作用，敲菜单上对应的功能键，可启动相应的指令，并显 示在荧光屏上 2 2 变形参数的设定 所以纯铜热模拟实验的实验方案如下