316LN不锈钢锻造过程晶粒演变规律实验与模拟研究

摘要

316LN奥氏体不锈钢作为核电关键件材料，具有较好的力学性能和耐晶间应力腐蚀性能，而应用到大型锻件中时存在着粗晶和混晶等质量问题，严重影响锻件的力学性能。因而，对316LN不锈钢在大型锻件锻造过程中的晶粒演变规律进行较为系统的研究，可为预测实际锻造过程中的晶粒变化提供实验依据，并且为大型锻件制备的关键技术奠定理论基础，对微观组织模拟技术的发展有着重要的意义。
　　 本文采用物理实验和数值模拟相结合的技术手段，系统研究了316LN在锻造过程中的晶粒演变规律以及组织模拟技术。组织模拟技术中的核心问题是建立准确的组织演变模型，因此本文从晶粒长大、动态再结晶、静态再结晶以及亚动态再结晶等方面开展了基础的研究，获得如下主要结论：
　　 (1)采用以回归误差平方和最小为优化目标的方法，给出了晶粒长大模型，该模型能够较为准确的预测热处理中的晶粒长大过程。
　　 (2)在Gleeble-1500D热力模拟试验机上，采用热压缩实验研究了316LN不锈钢的高温流变行为。通过分析基础实验数据，提出316LN高温塑性变形时的流变应力与变形速率、变形温度之间的关系可选用双曲正弦函数来加以描述。依据应力应变曲线，并采用Poliak和Joans所提出的方法，确定了动态再结晶的临界应变值，建立了动态再结晶动力学方程。
　　 (3)采用双道次热压缩实验，研究了316LN不锈钢静态软化行为，得出静态再结晶和亚动态再结晶的软化曲线都符合Avrami方程，呈现典型的S型曲线特征。静态再结晶受应变的影响要比应变速率要大，但亚动态再结晶则相反，通过对不同的变形参数研究，得出应变越大，静态再结晶分数越大；应变率越高，亚动态再结晶分数越大。
　　 (4)结合宏观热力学行为与微观组织演变的耦合技术，将微观组织演变模型输入DEFORM软件中，对不同火次的实际锻造试验过程进行了模拟，并将模拟所得的晶粒尺寸结果与实际锻造试验所得的晶粒尺寸结果进行对比，两者误差较小，从而验证了所建微观组织模型的可靠性。根据不同火次的锻造试验结果，得知静态再结晶不但能细化晶粒，而且使晶粒分布更加均匀，同时通过数值模拟对细匀化结果进行验证，进而也证明了所建组织模型的可靠性。最后本文利用DEFORM3D软件对管坯某-拔长火次进行了数值模拟，预测结果显示最大变形区域晶粒尺寸约在59μm-98μm之间。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 大型锻件的研究

1.2.1 大型锻件的主要特点

1.2.2 大型锻件的主要生产工艺

1.2.3 大型锻件的质量控制

1.2.4 大型锻件热成形的研究方法

1.3 大型锻件微观组织的研究

1.3.1 热变形中微观组织的主要演变机制

1.3.2 微观组织模拟技术

1.4 主管道用材316LN介绍

1.5 研究内容、意义和方法

第二章 316LN不锈钢晶粒长大规律的研究

2.1 前言

2.2 实验程序

2.3 实验结果及分析

2.3.1 保温时间对晶粒长大规律的影响

2.3.2 加热温度对晶粒长大规律的影响

2.3.3 初始晶粒度对晶粒长大规律的影响

2.3.4 微合金化元素对品粒长大规律的影响

2.4 晶粒长大模型的建立

2.5 模型的验证

2.6 本章结论

第三章 316LN不锈钢热变形力学行为的研究

3.1 前言

3.2 316LN应力应变曲线研究

3.2.1 实验方案

3.2.2 不同变形参数下的应力应交曲线

3.3 变形参数对流变应力的影响

3.3.1 应变速率对流变应力的影响

3.3.2 变形温度对流变应力的影响

3.4 高温塑性变形本构方程

3.5 本章结论

第四章 316LN不锈钢动态再结晶行为的研究

4.1 动态再结晶机制的研究

4.2 动态再结晶临界值的确定

4.3 原始晶粒尺寸对应变特征值的影响

4.4 动态再结晶动力学方程

4.4.1 动态再结晶分数的确定方法

4.4.2 动态再结晶模型的确立

4.5 变形参数对动态再结晶晶粒尺寸的影响

4.6 本章结论

第五章 316LN不锈钢静态软化行为的研究

5.1 实验方案

5.1.1 静态再结晶实验方案

5.1.2 亚动态再结晶实验方案

5.2 静态再结晶应力应变曲线

5.3 变形参数对静态再结晶行为的影响

5.3.1 锻造温度对静态再结晶的影响

5.3.2 应变对静态再结晶的影响

5.3.3 初始晶粒尺寸对静态再结晶的影响

5.4 静态再结晶动力学方程

5.4.1 静态再结晶体积分数的确定

5.4.2 系数n的确定

5.4.3 静态再结晶激活能的确定

5.5 变形参数对静态再结晶尺寸的影响

5.6 亚动态再结晶应力应变曲线

5.7 变形参数对亚动态再结晶行为的影响

5.7.1 锻造温度对亚动态再结晶的影响

5.7.2 应变速率对亚动态再结晶的影响

5.8 亚动态再结晶动力学方程

5.8.1 系数n值的确定

5.8.2 亚动态再结晶激活能的确定

5.9 变形参数对亚动态再结晶尺寸的影响

5.10 本章结论

第六章 316LN不锈钢锻造试验的验证及组织预测

6.1 宏观热力学行为与微观组织演变的耦合

6.2 锻造试验方案

6.3 变形急冷后的组织观察

6.4 不同变形火次的组织分析

6.5 316LN锻造过程数值模拟及其验证

6.5.1 材料模型的构建

6.5.2 数值模拟对细匀化结果的验证

6.5.3 数值模拟与实际锻造试验晶粒尺寸的比较

6.6 管坯拔长过程晶粒组织的预测

6.6.1 砧子及工艺参数的确定

6.6.2 工艺模拟结果

6.7 本章结论

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文