奥氏体耐热钢变形机制三维映射关系构建及电镦关键参数非线性加载路径设计

摘要

本文通过在Gleeble-1500热模拟试验机上进行的等温热压缩试验，获得该合金的高温流变应力曲线，研究了3Cr20Ni10W2奥氏体耐热钢的高温变形行为特点。通过获得的试验数据计算出应变速率敏感系数（m）、功率耗散因子（η）和失稳系数（ζ），并绘制了3Cr20Ni10W2奥氏体耐热钢的三维功率耗散图、三维失稳图以及加工图，结合对微观组织的分析，获得该合金发生稳健变形的温度及应变速率工艺参数范围，最后建立了该合金的三维变形机制图。根据识别出来的细晶变形区域初步建立电镦工艺的电流-速度非线性加载模式，并通过再结晶体积分数、晶粒尺寸和电镦外形等指标对速度-电流非线性加载模式进一步优化，获得最优非线性电流-速度加载方案。主要的研究内容及结论如下：
　　①在变形温度为1203~1403 K、应变速率为0.01~10 s-1条件下对3Cr20Ni10W2奥氏体耐热钢进行热压缩试验，并获得了设定条件下的真应力-真应变曲线。分析得出，由动态回复为主要软化机制的应变应变曲线随着应变的增加先呈现出迅速增长的趋势，达到峰值后逐渐趋于平稳状态；而由动态再结晶为主要软化机制的应变应变曲线随着应变的增加先呈现出迅速增长的趋势，达到峰值后出现一定程度的下降，之后再趋于稳态。
　　②根据热压缩试验获得的真应力、应变数据，基于动态材料模型为基础的加工图理论，绘制出三维功率耗散图、三维失稳图、三维加工图以及三维变形机制图，并识别出3Cr20Ni10W2奥氏体耐热钢的加工安全区以及各变形机制。对加工图进行分析，确定3Cr20Ni10W2奥氏体耐热钢发生稳健变形的温度区间在1333~1403 K，应变速率区间在0.01~0.66 s-1。
　　③利用Fortran软件开发了3Cr20Ni10W2奥氏体耐热钢的再结晶和晶粒尺寸子程序。通过热压缩数值模拟以及金相结果，验证了该子程序的可靠性。
　　④基于非线性有限元软件Marc建立了电镦的数值模型，并且结合三维加工图识别出的最佳变形应变速率范围，对电镦工艺进行了一系列非线性电流-速度条件下的数值模拟。通过分析不同加载条件下的模拟结果，可知：随着加载电流的减小，坯料温度降低，再结晶体积分数稍稍升高，晶粒尺寸呈减小趋势；随着后退速度的减小，温度、再结晶体积分数和晶粒尺寸均会有所降低。
　　⑤综合考虑电镦制件成形的晶粒尺寸还有再结晶体积分数以及轮廓外形，选择出最优的非线性电流-速度加载方案，为实际气门电镦生产提供了理论指导。

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目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究的主要内容及意义

1.4 本章小结

2 奥氏体耐热钢热压缩实验研究

2.1 实验材料及方法

2.2 热模拟物理压缩实验

2.3 金相实验

2.4 本章小结

3 奥氏体耐热钢的可加工性能研究

3.1加工图的构建原理

3.2 三维加工图的建立

3.3 奥氏体耐热钢三维变形机制图的建立

3.4 本章小结

4 奥氏体耐热钢热压缩的微观组织模拟

4.1 刚塑性有限元基本理论

4.2 有限元模型的建立

4.3 边界条件及工艺参数

4.4 模拟结果分析

4.5 金相验证

4.6 本章小结

5 奥氏体耐热钢电镦工艺中非线性加载路径设计

5.1 有限元模型的建立

5.2 非线性加载路径初步设定

5.3 模拟结果分析

5.4 最优非线性加载路径的确定

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 发明专利

C. 作者在攻读学位期间参与科研项目及成果目录

D. 三维功率耗散图构建程序代码