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钛合金高温变形时跨层次模型及数值模拟

作　者: 李晓丽
导　师: 李淼泉
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 钛合金高温变形叶片微观组织本构方程三维数值模拟
分类号: TG115
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 709次
引　用: 8次
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内容摘要

数值方法、计算机技术与材料加工理论相结合，对材料加工过程进行计算机模拟，预测材料的成形、微观组织、性能和质量，进而实现加工工艺的优化，有利于使材料热加工由“技艺”走向“科学”，为材料热加工技术的进步提供新的途径。材料在高温变形时不仅宏观力学性能会发生变化，内部的微观组织也会经历一系列变化，微观组织的变化又影响材料的宏观变形行为。从变形机理角度正确理解材料内部的微观组织演变与材料高温变形过程及其二者之间的交互作用，建立既能揭示塑性变形物理机制又能反映微观组织演变与宏观变形行为交互作用的跨层次模型是实现材料变形过程的变形—传热—微观组织耦合数值模拟的基础，而且能科学地理解高温变形机理，为合理地确定锻造加工工艺和控制锻件质量提供了科学依据。本文以金属高温变形微观机理为基础，研究了微观组织与变形参数间的关系，以位错密度变化率为内变量建立了金属高温变形时的微观组织模型。并以TC6钛合金为例对该模型的可靠性进行了测试，结果证明该模型预测精度高，可较好地描述钛合金高温变形过程中的微观组织演变行为。对材料高温变形物理机制进行了系统研究，以位错强化机制与晶界强化机制为基础，建立了钛合金的塑性变形本构方程。该方程不仅可以定量计算不同的基体相和不同变形机制对流动应力的作用，而且可以反映微观组织演变对宏观力学行为的影响，因此可以作为跨层次数值模拟的媒介。以TC6钛合金为例对该塑性变形本构方程进行了验证，结果证明该本构方程预测流动应力曲线可较好地描述TC6钛合金高温变形时的动态行为。带阻尼台叶片是航空发动机中一类重要且形状复杂的零件，对叶片的精锻过程进行三维数值模拟具有重要的理论意义和实用价值。将本文建立的反映变形与微观组织演变交互作用的塑性变形本构方程与传热分析相结合，建立变形—传热—微观组织的有限元耦合模拟系统。应用该系统对带阻尼台叶片的精锻过程进行了三维数值模拟，分析了变形工艺参数包括变形温度、变形速度、变形程度与摩

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
论文的主要创新与贡献  8-13
第1章绪论  13-25
  1.1 引言  13-14
  1.2 钛合金的微观组织和性能  14-15
  1.3 钛合金锻造技术  15-16
  1.4 数值模拟技术及其应用  16-23
    1.4.1 数值模拟技术在塑性成形中的应用  16-19
    1.4.2 数值模拟技术在微观组织预测中的应用  19-21
    1.4.3 数值模拟技术在叶片锻造中的应用  21-23
  1.5 本文主要研究内容  23-25
第2章微观组织模型  25-44
  2.1 引言  25
  2.2 金属塑性变形微观组织模型概述  25-27
  2.3 微观组织模型  27-32
    2.3.1 位错密度模型  27-30
    2.3.2 晶粒尺寸模型  30-32
  2.4 微观组织模型的应用  32-43
    2.4.1 TC6钛合金微观组织模型  32-34
    2.4.2 实验过程与结果  34-37
    2.4.3 材料参数的确定  37-38
    2.4.4 模型验证  38-40
    2.4.5 结果分析与讨论  40-43
  2.5 本章小结  43-44
第3章塑性变形本构方程  44-57
  3.1 引言  44
  3.2 金属塑性变形本构方程概述  44-46
  3.3 塑性变形物理机制  46-49
    3.3.1 位错强化机制  46-48
    3.3.2 晶界强化机制  48-49
    3.3.3 多相合金塑性变形  49
  3.4 钛合金塑性变形本构方程  49-52
    3.4.1 单相钛合金塑性变形本构方程  49-50
    3.4.2 两相钛合金塑性变形本构方程  50-52
  3.5 塑性变形本构方程的应用  52-55
    3.5.1 TC6钛合金塑性变形本构方程  52-54
    3.5.2 材料参数确定  54-55
    3.5.3 模型验证  55
  3.6 本章小结  55-57
第4章有限元基础理论及数值模拟关键技术  57-68
  4.1 引言  57
  4.2 刚粘塑性有限元法基本原理  57-59
  4.3 数值模拟系统框架  59-60
  4.4 变形-传热耦合分析  60-62
  4.5 数值模拟关键技术及其处理  62-67
    4.5.1 模具形状几何描述  62
    4.5.2 初始速度场  62-63
    4.5.3 边界条件处理  63-65
    4.5.4 收敛判据  65-66
    4.5.5 网格重划分  66-67
  4.6 本章小结  67-68
第5章带阻尼台叶片精锻过程数值模拟  68-107
  5.1 引言  68
  5.2 TC6钛合金加工图  68-73
  5.3 带阻尼台叶片精锻过程三维数值模拟  73-76
    5.3.1 力学模型  73-74
    5.3.2 模拟工艺方案  74-76
  5.4 精锻过程模拟结果及分析  76-95
    5.4.1 变形过程  76-78
    5.4.2 工艺参数对变形的影响  78-95
  5.5 三维与二维数值模拟结果比较  95-106
    5.5.1 叶身横截面  95-99
    5.5.2 阻尼台截面  99-102
    5.5.3 榫头截面  102-104
    5.5.4 叶身纵截面  104-106
  5.6 本章小结  106-107
第6章带阻尼台叶片精锻过程微观组织模拟  107-117
  6.1 引言  107
  6.2 微观组织模拟结果及分析  107-113
    6.2.1 变形温度  107-109
    6.2.2 变形速度  109-110
    6.2.3 变形程度  110-112
    6.2.4 摩擦  112-113
  6.3 三维与二维数值模拟结果比较  113-116
  6.4 本章小结  116-117
第7章 TC6钛合金叶片精锻与微观组织  117-128
  7.1 引言  117
  7.2 叶片精锻及结果  117-123
    7.2.1 精锻工艺方案  117-119
    7.2.2 微观组织观测  119-123
  7.3 精锻生产条件下微观组织参数的计算  123-125
  7.4 结果比较  125-127
    7.4.1 载荷  125-126
    7.4.2 微观组织  126-127
  7.5 本章小结  127-128
结论与展望  128-131
参考文献  131-146
攻读博士学位期间发表的学术论文及专利  146-149
致谢  149-150

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