高合金材料热加工性及热加工参数优化研究

摘要

高品质特殊钢及特种合金等高合金材料是国家重大工程建设与高端装备制造的基础材料。由于合金含量较高，高合金材料在热加工过程出现变形抗力大、热加工参数窗口小、可加工性差等特征，导致合金的热加工成形与组织控制困难，成材率低。因此，如何在热加工过程控制与优化热力学参数以获得所需的组织，同时避免热加工缺陷的产生，已成为高合金材料实际生产需要解决的关键问题和热加工性研究的热点。 本文以Ti-15-3钛合金、Fe-23Mn-2Al-0.2C高锰钢和253MA奥氏体不锈钢三种高合金材料为研究对象，针对高合金材料在热加工过程的高温变形行为、微观组织演变、本构模型的建立、动态软化及机理、热变形参数控制与优化等共性关键问题进行了系统深入的研究。论文的创新点与主要研究结果如下: (1)从宏观力学响应和微观组织响应角度对Ti-15-3钛合金、Fe-23Mn-2Al-0.2C高锰钢和253MA奥氏体不锈钢三种高合金材料的热加工性展开了系统研究;发现了奥氏体钢中动态再结晶在较高应变速率下增强的异常现象;建立了实验材料的微观组织演变图。 Ti-15-3钛合金的流变曲线在变形初始阶段(真应变0-0.15之间)出现不连续屈服现象。不连续屈服应力差在应变速率0.001-1s-1区间内随着应变速率的增加和温度的降低而增加，然而在应变速率为1s-1时却急剧减小。Ti-15-3钛合金在温度850-1150℃和应变速率0.001-1s-1变形参数区间的大部分范围内，动态回复为主导机制，组织中没有出现或者只出现有限的动态再结晶晶粒。在较低应变速率(0.01和0.1s-1)时，Fe-23Mn-2Al-0.2C高锰钢与253MA奥氏体不锈钢的流变曲线上均出现一个明显的应力峰。在高应变速率20s-1时，两种奥氏体钢的流变曲线在应变大于0.4出现明显的流动软化。动态再结晶在两种奥氏体钢中均出现随着应变速率的增加先逐渐弱化又出现增强的趋势。在较高应变速率区域，Fe-23Mn-2Al-0.2C高锰钢中动态再结晶行为较为活跃;而在较低应变速率区域，253MA奥氏体不锈钢中动态再结晶较为活跃。 (2)针对以往研究中流变应力数据的摩擦与变形热修正通常被忽略这一现象，分析了摩擦与变形热对流变应力的影响。基于理论推导，提出了一种简单易用的变形热修正方法。 对实验直接获取的流变应力数据进行了摩擦修正与变形热修正。发现使用MoS2润滑剂可以获得很好的润滑效果，然而对流变应力进行摩擦修正依然必要。通过推导，提出一种变形热修正方法。与目前应用最为广泛的修正方法相比，该方法不需要求解材料参数，只需采用实验直接获取的流变应力。在相同变形条件下，变形热对流变应力的影响要明显高于摩擦。发现变形热和摩擦的修正顺序对修正结果的影响取决于摩擦的大小。良好的润滑效果可减弱修正顺序对最终结果的影响。 (3)针对基于Sellars-Tegart-Garofalo(STG)模型建立材料本构模型时存在的误区，提出了“应力分区求参数”的方法计算STG模型中的关键参数;通过STG模型中的材料参数将应变这一重要变形参数引入模型之中，建立了三种实验材料的高精度本构模型。 提出将应力划分为“高应力”和“低应力”区间，采用适用不同应力区间的公式分别求解对应的参数。由于STG模型最早提出用来描述流变稳态时流变应力与温度和应变速率的关系，不含有应变这一重要参数。通过STG模型中的材料参数(α、n、Q和A)将应变引入本构模型之中。对于所研究材料，发现可采用4次(Ti-15-3钛合金)或者5次(Fe-23Mn-2Al-0.2C高锰钢与253MA奥氏体不锈钢)多项式能够精确地描述材料参数(α、n、Q和lnA)与应变的关系，从而建立耦合了应变的高精度本构模型。 (4)深入研究了具有较高层错能的钛合金和具有较低层错能的奥氏体钢在高应变速率下的流动软化行为;基于微观组织表征与模型计算，阐明了流动软化产生的机理;确定了实验材料的最佳热加工工艺参数窗口。 Ti-15-3钛合金在高应变速率下呈现明显动态软化的机制主要为动态回复、变形热以及剪切带和流变局域化。动态回复为Ti-15-3钛合金在高应变速率范围的主导组织软化机制，其对应的变形激活能略高于β钛的自扩散激活能。变形热是材料中产生热软化的重要机制，在较低温度和较高应变速率下更为显著。流变失稳以剪切带和流变局域化的形式发生于温度850-1000℃和应变速率1-10s-1参数区间。Ti-15-3钛合金的适宜热加工区间为温度1050-1150℃和应变速率1-10s-1。 253MA和Fe-23Mn-2Al-0.2C两种奥氏体钢在高应变速率下的软化程度随着应变速率和温度的增加而增加。相应软化机制主要为动态再结晶、变形热以及局域变形带。通过EBSD分析和“双重求导法”确定动态再结晶在高应变速率下的发生。变形热同样为两种奥氏体钢在高应变速率下的重要软化机制。局域变形带是两种奥氏体钢在高应变速率下的流变失稳组织特征，主要发生于温度900-950℃和应变速率1-20s-1参数区间。两种奥氏体钢的适宜热加工区间为温度1050-1150℃和应变速率1-20s-1。 (5)基于两类五种动态材料模型判据之间关系尚不明确这一问题，通过理论推导与实验验证，揭示了不同判据之间的关系;根据微观组织观察结果，验证了不同判据的适用性，为研究材料热加工性时判据的选用提供了参考和依据。 发现基于相同理论的判据(即基于Lyapunov函数的Alexander-Malas判据和Gegel判据或者基于Ziegler塑形流变理论的Kumar-Prasad判据、Murty-Rao判据和Babu判据)预测结果大致相似;而基于不同理论的判据(例如Babu判据与Alexander-Malas第二判据)预测结果几乎相反。Alexander-Malas判据和Gegel判据的预测结果与微观组织观察结果不符，无法用于本研究分析。Kumar-Prasad、Murty-Rao和Babu三种失稳判据能够准确预测Ti-15-3钛合金在高温变形时流变失稳的发生，然而却高估了Fe-23Mn-2Al-0.2C高锰钢和253MA奥氏体不锈钢中流变失稳发生的区域，尤其高温高应变速率范围失效。相比之下，Murty-Rao失稳判据能够更为准确预测流变失稳发生的变形参数区间。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2材料的热加工性

1．2．1高温流变曲线

1．2．2高温变形机制

1．3本构模型

1．3．1 Johnson-Cook模型

1．3．3 Sellars-Tegart-Garofalo模型

1．4描述变形机制的方法论与模型

1．4．1变形机制图

1．4．2破坏机制图

1．4．3动态材料模型与加工图

1．4．4基于动态材料模型的判据

1．4．5适用于钛合金的唯象判据

1．4．6应变速率敏感系数判据

1．5高合金材料及其热加工性

1．6论文研究的背景、意义和内容

1．6．1研究背景

1．6．2研究意义

1．6．3研究内容

第2章高温变形行为与微观组织演变

2．1引言

2．2实验材料与方法

2．2．1实验材料

2．2．2实验步骤与参数

2．2．3微观组织表征

2．3实验结果与分析

2．3．1 Ti-15-3钛合金

2．3．2奥氏体钢

2．4小结

第3章摩擦和变形热对流变应力的影响与修正

3．1引言

3．2实验材料与方法

3．2．1比热的测量

3．2．2密度的测量

3．3结果与讨论

3．3．1摩擦的计算与修正

3．3．2变形热的计算与修正

3．3．3摩擦与变形热修正顺序的影响

3．4小结

第4章考虑应变影响的本构模型

4．1引言

4．2实验数据

4．3结果与讨论

4．3．1材料参数的计算

4．3．2应变的耦合

4．3．3本构模型预测精度的验证

4．3．4其他实验材料的本构模型

4．4小结

第5章高应变速率下的流动软化行为及热加工参数优化

5．1引言

5．2实验方法

5．3结果与讨论

5．3．1 Ti-15-3钛合金

5．3．2奥氏体钢

5．4小结

第6章动态材料模型判据的比较与适用性验证

6．1引言

6．2研究方法

6．3结果与分析

6．3．1两种基于Lyapunov函数稳定判据的比较

6．3．2三种基于Ziegler塑形流变理论失稳判据的比较

6．3．3两类判据的比较

6．3．4判据适用性的验证

6．4小结

第7章结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研工作与取得的学术成果

致谢

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