金属材料微观组织演变计算方法及在热成型中的应用

摘要

金属薄板热冲压成型技术是一种应用广泛的热塑性加工工艺，其主要应用于汽车车身，航空航天，装备制造等零部件生产中。其中，热成型零件的最终微观组织构成和成型尺寸精度将决定零件的宏观使用性能，准确的微观组织演变预测和加工变形预测对成型工艺的设计至关重要。
　　微观组织演变传统的计算方法都是基于等温转变曲线(Time-Temperature-Transformation TTT)数据和叠加原理，这对部分材料微观组织演变计算有效。而对于热冲压用高强硼钢(22MnB5)，其在慢速冷却情况下，有多种微观组织产生，对应的等温转变孕育期非常短，且难以测得，而相变孕育期对相变开始的判断和相变过程计算影响很大，传统的计算方法对于这类材料和加工工艺仿真计算精度不高。因此，对于热冲压过程仿真模拟，提高传统组织演变计算方法的计算精度，寻求新型组织演变计算方法，并将组织演变计算模型运用到热冲压仿真计算中去，探索组织演变对热冲压仿真计算的影响，对于提高热冲压工艺仿真计算的精度有重要的工程意义。
　　本文立足于数值计算方法，在金属材料组织演变数值计算方面，展开了组织演变传统的计算方法研究，并在前人研究工作基础上，发展了组织演变新型计算方法;在金属材料加载下力学响应数值计算方面，基于热处理变形实验和仿真计算，展开了涉及组织演变的力学响应模型的研究;最后，利用本文所建计算模型，分析和讨论了实际的热冲压成型仿真计算过程。本文完成的研究内容如下所示:
　　(1)以热冲压成型用高强硼钢(22MnB5)为实验研究材料，基于实验测试结果，计算得出了扩散型相变的孕育时间;并在特殊温度范围，设置了铁素体和贝氏体相变虚拟孕育时间，通过求解连续等速冷却过程，确定了虚拟孕育时间;基于传统的组织演变计算方法，在模型中考虑了相变孕育期对组织演变计算过程的影响，编写了材料组织演变计算予程序(USDFLD)，计算了高强硼钢在冷却过程中组织演变过程。最后，本文开展了高强硼钢端淬实验，对比实验和仿真结果表明:孕育时间对相变过程的计算作用很大，且计算模型能很好的预测高强硼钢任意冷却路径冷却后的组织和硬度分布。
　　(2)基于连续冷却转变(Continuous Cooling Transformation CCT)曲线数据，构建并发展了微观组织演变参数反求计算方法和直接求解任意冷却过程的广义计算方法。通过反求计算，获得等温转变动力学参数，基于所求的等温转变动力学参数，能利用传统的组织演变计算方法，计算任意冷却路径的相变过程;对于广义计算方法，提出了相变孕育贡献系数概念，其考虑了实际冷却过程中当前温度和当前冷却速度对广义计算的影响，提高了模型计算精度，同时建立了相变过程广义计算方法。最后，基于单相贝氏体钢G17GrMo9-10为实验材料，实验验证了上述两种计算方法，结果表明:反求计算方法所计算出的等温转变动力学参数和实验所的参数吻合较好，对比前人所述计算模型，本文所述反求计算方法计算精度更高;对于广义计算方法，相变孕育贡献系数对广义计算过程作用很大，且任意冷却路径下相变过程能用广义计算方法计算获得。
　　(3)考虑微观组织演变的影响，建立了涉及相变的力学响应计算模型。利用热处理变形实验验证了计算模型，并讨论了四类计算参数对变形计算结果的敏感性影响。研究结果表明:热物性参数的改变对热处理变形计算结果影响不大;低温范围应力应变曲线对计算结果影响不大，但高温应力应变曲线对热处理变形计算结果有很高的敏感性;空冷不引起塑性变形，进而不会导致热处理变形，对于油冷和水冷，热处理变形大，且其界面换热系数值对计算结果敏感性很大;对于相变相关参数，特别是相变塑性，对热处理变形计算影响很大，其数值对计算结果也有很大的敏感性。
　　(4)最后，本文所建计算模型运用到了热冲压仿真计算中，一方面建立了微观组织演变定制热冲压计算模型，分析了四种工艺参数对组织分布计算结果的影响;另一方，讨论了相变和相变塑性对热冲压回弹和残余应力计算的影响，同时分析了热冲压工艺参数对上述两种指标计算结果的影响。研究结果表明:对比实验结果，本文所述微观组织演变计算方法较传统组织演变计算方法精度要高;模具的温度，界面换热系数和相变潜热对定制热冲压成型的计算有很高的敏感性;相变和相变塑性参数对热冲压回弹和残余应力计算的影响很大。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 金属热冲压成型研究现状

1．2．1 金属热冲压用高强钢材料

1．2．2 金属热冲压工艺发展概况

1．2．3 金属热冲压过程数值模拟

1．2．4 金属热冲压过程微观组织定制方法

1．3 金属热冲压过程材料组织演变计算方法研究现状

1．3．1 金属热冲压过程材料组织演变

1．3．2 材料组织演变传统计算方法

1．3．3 材料组织演变新型计算方法

1．4 存在的问题及本文的主要研究内容

第2章 基于TTT曲线的金属材料组织演变计算方法

2．1 引言

2．2 金属热冲压用高强硼钢物性参数测定

2．2．1 实验测试方法

2．2．2 实验测试结果

2．3 热处理过程中组织演变传统计算模型

2．3．1 热传导计算模型

2．3．2 扩散型相变计算模型

2．3．3 非扩散型相变计算模型

2．3．4 混合组织硬度计算模型

2．4 等温相变孕育期和转变动力学参数求解

2．4．1 孕育时间的计算方法

2．4．2 孕育时间计算结果的分析与讨论

2．4．3 孕育时间对相变过程计算的影响

2．4．4 JMAK方程参数“n”和“b”的求解

2．4．5 珠光体和马氏体相变求解方法

2．4．6 计算模型验证-基于TTT求解CCT

2．5 计算方法的实验验证-端淬实验

2．5．1 端淬实验方法概述

2．5．2 端淬实验结果分析

2．5．3 界面换热系数的求解方法

2．5．4 仿真与实验结果对比讨论

2．6 小结

第3章 基于CCT曲线的金属材料组织演变计算方法

3．1 引言

3．2 金属材料组织演变过程的参数反求计算方法

3．2．1 TTT曲线-等速冷却曲线-孕育贡献曲线之间的对应关系

3．2．2 相变孕育的反求计算

3．2．3 相变过程参数的反求计算

3．3 金属材料组织演变过程的广义计算方法

3．3．1 相变孕育的广义计算

3．3．2 相变过程的广义计算

3．4 反求计算方法和广义计算方法的实验验证

3．4．1 实验方法和结果

3．4．2 实验和仿真结果验证

3．5 反求计算方法和广义计算方法的拓展应用

3．5．1 基于反求计算的相变孕育期优化拟合方法

3．5．2 两种JMAK方程参数反求计算结果对比与讨论

3．5．3 多相组织演变参数反求计算处理方法

3．5．4 广义计算方法中的GICC对计算结果的影响

3．6 小结

第4章 金属热处理变形原因和敏感性参数分析

4．1 引言

4．2 力学响应计算模型

4．3 实验用钢及材料热力学属性

4．3．1 材料热物参数

4．3．2 材料热力参数

4．3．3 材料界面换热系数

4．4 热处理变形实验和有限元模型

4．4．1 实验模型

4．4．2 有限元计算模型

4．4．3 热处理变形实验与计算结果对比

4．5 热处理变形原因分析

4．6 材料属性稳定性分析

4．6．1 热导率和热膨胀系数分析

4．6．2 界面换热系数分析

4．6．3 材料应力应变关系影响

4．6．4 相变和相变塑性的影响

4．7 小结

第5章 组织演变计算模型在热冲压成型仿真中的应用

5．1 引言

5．2 微观组织定制热冲压过程仿真计算

5．2．1 高强硼钢和冲压模具热力学属性

5．2．2 定制热冲压过程有限元计算模型

5．2．3 微观组织演变计算结果分析与讨论

5．3 微观组织定制热冲压过程参数稳定性研究

5．3．1 参数稳定性研究方法

5．3．2 参数稳定性研究结果

5．3．3 参数稳定性研究讨论

5．4 组织演变对热冲压有限元模拟计算结果的影响

5．4．1 热冲压过程介绍

5．4．2 热冲压零件回弹的影响因素

5．4．3 热冲压零件残余应力的影响因素

5．5 小结

总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢