基于累积塑性能的热变形开裂准则及应用研究

1、基于累积塑性能的热变形开裂准那么及应用研究热塑性加工技术具有生产效率高、 材料利用率高、 产品质量稳定等优点， 而 且还能有效改善工件的力学性能， 在金属零件制造过程中占据了重要的地位。 在 热塑性加工成形领域内，金属材料成形性能的研究一直是人们关注的重点之一， 而金属的韧性断裂是影响成形性能的重要因素。随着计算机硬件和软件技术的开展以及损伤断裂力学理论的日臻完善， 利用 数值模拟技术，将损伤断裂力学引入有限元计算成为先进热塑性加工领域的前沿 研究方向之一。 然而， 现有国内外的韧性开裂准那么均基于室温变形而建立， 对于 热变形开裂的预测有一定的局限性， 而且高温高应变速率条件下临界开裂参数难

2、 以测定。因此，建立热变形开裂准那么以迅速、 准确地预测可能出现的开裂行为， 成为 了热塑性加工技术开展迫切需要解决的瓶颈问题之一。为此，本文以铸态 Ti60 钛合金为研究对象， 研究了合金的热变形行为， 揭示了合金的开裂行为及其机制， 建立了热变形开裂准那么， 并结合有限元模拟分析技术， 系统分析了合金大规格棒 材开坯工艺过程，优化了开坯工艺参数，并进行试验验证。主要研究内容和结果如下： 基于流动应力应变数据， 揭示了不连续屈服程度 与晶粒尺寸成反比关系，构建了考虑应变因素的本构方程，采用动态材料模型， 绘制了 Ti60 合金的热加工图， 优化了 Ti60 钛合金的加工窗口， 理想加工参数为

3、 变形温度1120C，应变速率为0.010.1s-1和变形量为45-60%。基于热压缩试 验样本，研究了 Ti60 合金的开裂行为及机制，其外表主要表现为45剪切开裂和纵向自由外表开裂两种宏观断裂形貌， 其微观形貌分别表现为拉长型的韧窝和 等轴韧窝， 且合金开裂程度随着变形温度的降低、 应变速率和变形程度的增加而增加裂纹易于在a / B相界、B晶界或氧化层中形核，并且倾向于沿着 B晶界或 者沿着B晶粒内的a/ B丛域扩展。提出了一种采用双镜头、强补光以及专业摄 影架等方式进行修正了的高速摄影新方法， 有效解决了裂纹观测时裂纹产生位置 随机、观测视场亮度较暗以及拍摄画面不稳定而存在临界裂纹捕获困

4、难的问题， 准确测量了合金热压缩过程的临界开裂变形量， 提高了观测裂纹出现位置及时间 的精度。通过对现有典型开裂准那么的理论分析以及所预测的开裂位置和临界损伤变 化规律可知，Frudenthal准那么可以预测热压缩过程发生的心部开裂， 而C&L 0&K Brozzo、McCIintock、Oyane R&T准那么均可预测赤道处自由外表开裂，这与实 际完全吻合。其中，O&K准那么能较好综合考虑建立开裂准那么时所考虑的应力因素， 且在一定程度上等价于 Kuhn经验准那么和McClintock空洞合并模型。基于引起 Ti60 合金韧性开裂的诱发应力为环向拉应力，本文选用累积塑性能模型的O&K那么进行

5、修正以期建立Ti60合金的热变形开裂准那么。综合累积塑 性能模型O&K准那么力能函数形式和温度补偿应变速率 Zener-Hollomon因子，最 终建立了用于预测 Ti60 合金高温热变形的韧性开裂准那么。采用FORTRA语言二次开发子程序将热变形开裂准那么嵌入商用有限元软件 DEFORM-3中，实现了合金变形-传热-损伤耦合分析，预测结果与试验结果吻合 较好，验证了模型的有效性。最后，借助已嵌入开裂模型子程序的 DEFORM-3D 有限元软件，以实现充分破碎铸态组织和防止开裂为目标，对大尺寸 Ti60 合金 铸锭进行不同砧型平砧、120oV型砧和U型砧拔长、单道次下不同压下量、压 下速度和进给量以及多道次下拔长开坯、 镦拔开坯和翻转角度等不同工艺参数下 的有限元模拟平砧拔长坯料端面开裂损伤严重及产生 “端面窝心 缺陷， 但实际开坯过程 中无需更换模具，开坯效率较高。U型砧和120oV型砧具有较高的心部应变和较 好的防开裂的效果，但型砧尺寸随试样截面尺寸变化而变化，开坯效率较低。单道次变形条件较优的变形量、 压下速度以及进给量分别为 30%、10-15mm/s和130mm基于单道次优化的工艺参数，拔长开坯或镦拔开坯时，四个道次后不 仅可实现铸锭组织被充分打碎，且外表未出现明显的开裂。且增加 45翻