一種預測時變工況下高合金化材料動態再結晶分數的方法
【專利摘要】本發明公開了一種預測時變工況下高合金化材料動態再結晶分數的方法。該方法包括如下步驟：(1)通過熱壓縮模擬實驗獲取材料變形后試樣；(2)通過金相實驗獲取試樣金相照片；(3)利用Photoshop軟件統計試樣的再結晶分數；(4)利用有限元模擬獲取試樣等效應變值和平均應變速率值；(5)回歸出傳統的動態再結晶動力學模型參數；(6)將傳統的動態再結晶動力學模型改進為能預測時變工況下的動態再結晶分數的新模型。本發明公開方法的優勢在于其可以用于建立高合金化材料的動態再結晶動力學模型，并用于預測時變工況下動態再結晶分數。
【專利說明】
一種預測時變工況下高合金化材料動態再結晶分數的方法
技術領域：
[0001] 本發明屬于鍛造技術領域，涉及一種預測時變工況下高合金化材料動態再結晶分 數的方法。
【背景技術】：
[0002] 高合金化金屬，如鎳基高溫合金、鐵基高溫合金，由于其在較高溫度下仍具有高的 強度、良好的抗疲勞、抗蠕變、抗氧化、耐腐蝕性能，被廣泛用于制造各種形狀復雜、性能要 求特別高的航空、航天、船舶、電力等領域的關鍵零部件。
[0003] 對于鎳基高溫合金和鐵基高溫合金等高合金化材料，其在高溫變形過程中流變應 力除了受到動態回復、動態再結晶等機制影響之外，還存在著固溶原子含量變化造成固溶 強化效應的增強或減弱作用，以及復雜第二相析出與溶解造成的第二相強化效益的增或減 弱作用。因而，材料在熱變形過程中動態再結晶分數難以通過流變應力曲線軟化效應反求 獲得，從而導致其動態再結晶動力學模型難以建立。因此，迫切需要提出一種簡單可行的高 合金化材料動態再結晶動力學模型的建立方法。
[0004] 此外，由于現有動態再結晶動力學模型存在的最大弊端是其只能用于預測恒溫恒 應變速率條件下的動態再結晶分數，對于非恒溫恒應變速率工況下，只能取其變形溫度和 應變速率的平均值用于計算，極大地影響了其預測精度。因此，十分有必要提出一種能預測 材料經歷任意變形歷史后(包括恒溫恒應變速率和非恒溫恒應變速率條件)動態再結晶分 數的方法。
【發明內容】
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[0005] 本發明的目的在于提供一種預測時變工況下高合金化材料動態再結晶分數的方 法，該方法可以利用恒溫恒應變速率的熱壓縮模擬實驗、金相實驗和數值模擬實驗，建立改 進型的高合金化材料動態再結晶動力學模型;使其能用于預測材料經歷任意變形歷史后動 態再結晶分數，以解決現有模型難以預測非恒溫恒應變速率工況下材料動態再結晶行為的 難題。
[0006] 本發明解決上述難題的方案是：
[0007] 步驟1:通過恒溫恒應變速率的熱壓縮模擬實驗，獲取不同變形條件下高合金化材 料的真應力-真應變曲線和保留變形組織的熱模擬試樣；
[0008] 步驟2:通過金相實驗獲取熱壓縮模擬變形后試樣中心區域的金相照片；
[0009] 步驟3:采用Photoshop軟件的魔法功能統計出金相照片中再結晶區域面積占總面 積的比例，獲得不同變形條件下熱模擬試樣中心區域的再結晶分數；
[0010] 步驟4:采用有限元模擬方法獲取熱模擬試樣中心區域的等效應變值和平均應變 速率值；
[0011] 步驟5:利用獲得變形條件與再結晶分數數據點集，采用最小二乘法，回歸出傳統 的動態再結晶動力學模型參數，所述的傳統的動態再結晶動力學模型為：
[0013] 其中，Xdrx為動態再結晶分數，e為應變，T為變形溫度(單位為K)，2為應變速率(單 位為s'A為動態再結晶臨界應變，e Q.5為動態再結晶發生50%時的應變， 為材料參數；
[0014] 步驟6:在步驟5所述的傳統的動態再結晶動力學模型基礎上，建立改進型動態再 結晶動力學模型為：
[0015]
[0016] 其中，￡w為考慮變形歷史的影響而引入的參數，s:(d)為考慮當前工藝參數的影響 而引入的參數，材料參數&、&2、!11 1、11(1和〇1的值與步驟5所述的傳統的動態再結晶模型中的參 數值相同。
【附圖說明】：
[0017] 圖1 GH4169合金試樣原始晶粒組織；
[0018] 圖2熱模擬實驗獲得流變應力曲線：（&^ = 980°(：;(1^ = 〇.〇58_1;
[0019]圖3采用Photoshop軟件統計再結晶分數的示意圖：（a)原始金相圖片；（b)魔法工 具選中后；
[0020]圖4熱模擬實驗有限元仿真模型；
[0021 ]圖5熱模擬實驗后試樣的等效應變分布圖；
[0022] 圖6恒應變速率條件下的預測結果與實驗結果比較；
[0023] 圖7變應變速率條件下的預測結果與實驗結果比較。
【具體實施方式】：
[0024] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0025] 本發明一種預測時變工況下高合金化材料動態再結晶分數的方法，下面以預測典 型的高合金化材料GH4169合金(其初始組織如圖1所示)動態再結晶分數為例，詳細介紹本 發明涉及的預測方法的具體實施細節，其方法包括：
[0026]步驟1:通過恒溫恒應變速率的熱壓縮模擬實驗，獲取不同變形條件下GH4169合金 的真應力-真應變曲線和保留變形組織的熱模擬試樣。恒溫恒應變速率的熱模擬實驗工藝 參數為：變形溫度選取920°(：、950°(：、980°(：、1010°(：與1040°(：，應變速率選取0.0018一1、 O.Ols'O.OSsi和O.ls^變形程度均為60%。在實驗過程中，試樣首先以10°C/s速度加熱 至變形溫度，保溫300秒，以使試樣溫度均勻，然后以恒應變速率壓縮試樣至真應變為0.92 (變形程度60%)，變形結束后，立即水淬保留組織。在實驗過程中，自動記錄真應力一真應 變曲線。通過實驗獲得的典型流變應力曲線如圖2所示。
[0027]步驟2:通過金相實驗獲取熱壓縮模擬變形后試樣中心區域的金相圖片。將步驟1 中熱模擬實驗獲得變形試樣沿中心線切成兩半，對剖切面進行研磨、拋光，然后將拋光后表 面放在腐蝕試劑（100ml HCI+100ml CH3CH20H+5g CuCl2的充分混合溶液）中腐蝕3-5min(室 溫條件下），當試樣拋光面的光澤褪去出現銀灰色時將試樣取出，用酒精沖洗，并用熱吹風 機吹干;最后在金相顯微鏡中觀察變形后的金相組織，獲取金相照片。圖3(a)所示為典型熱 模擬試樣中心部位的金相組織。
[0028]步驟3:采用Photoshop軟件的魔法功能統計出金相照片中再結晶區域的面積占總 面積的比例，獲得不同變形條件下熱模擬試樣中心區域的再結晶分數，如圖3(b)所示。其基 本方法是通過魔棒工具選取出金相圖片中的所有原始晶粒，然后計算選中區域的像素，除 以圖片總像素，這是原始晶粒所占比例，而再結晶分數就是所余像素所占的比例。采用步驟 3所述方法計算獲得不同變形條件下的熱模擬試樣中心區域的動態再結晶分數如表1所示。
[0029] 步驟4:采用有限元模擬方法獲取熱模擬試樣中心區域的等效應變值和平均應變 速率值。熱模擬實驗仿真模型如圖4所示，其邊界條件與熱模擬實驗相同，本發明實例中有 限元仿真在Def 〇rm-3D商用有限元軟件中完成，仿真中需要的材料流變應力模型為步驟1中 獲得流變應力曲線。有限元模擬獲得的試樣變形后等效應變等值線圖如圖5所示。如圖5所 示可知，熱模擬試樣變形是不均勻的。采用Def 〇rm-3D軟件提供的點跟蹤的技術獲得不同變 形條件下中心區域等效應變值與平均應變速率值，結果如表1所示。
[0030] 表1不同變形溫度和應變速率條件下變形試樣心部的應變和動態再結晶百分數
[0032]步驟5:利用獲得變形條件與再結晶分數數據點集(表1所示），采用最小二乘法，以 模型預測值與步驟3所求的實驗值的誤差平方和最小為優化目標，回歸出傳統的動態再結 晶動力學模型的參數&1、&2、!111、11 (1和&的值。將回歸獲得的模型參數值代入模型得：
[0034] 式中，Xdrx為動態再結晶分數，e為應變，T為變形溫度(單位為K)，彳為應變速率(單 位為jr1)，^。為動態再結晶臨界應變；e〇. 5為動態再結晶發生50%時的應變。式(3)的預測結 果與步驟3所求的實驗結果比較如圖6所示。由圖6所示可知，模型結果與實驗結果吻合較 好，說明采用本發明提出的方法是可行的。
[0035] 步驟6:在步驟5所述的傳統的動態再結晶動力學模型基礎上，建立改進型動態再 結晶動力學模型為：
[0036]
[0037] 為了驗證改進型的動態再結晶動力學模型，特進行了變應變速率工況下的熱模擬 實驗。變應變速率工況下的熱模擬實驗方案如表2所示：變形溫度為980 °C、1010 °C或1040 °C，應變速率分為兩個階段，第一階段的應變速率均為0.1 f1，第二階段應變速率選取 O.OOlsHj.OlsH或O.OSs'總共9組實驗。實驗過程中，試樣首先以10°C/s速度加熱至變形 溫度(980°C、1010°C或1040°C )，保溫300秒，以使試樣溫度均勻，然后進行第1階段變形，即 以恒應變速率(0.1s'壓縮試樣至真應變0.35(30%)，然后迅速降低應變速率至第2階段的 應變速率值(O.OOls'O.OlsT 1或〇.OSs'，繼續以恒應變速率變形至總真應變0.92(60%)， 變形結束后立即水淬保留變形組織。采用本發明提出的方法，獲得變應變速率工況熱模擬 實驗后試樣中心區域的再結晶分數、并將其與改進型的動態再結晶動力學模型的預測結果 比較，如圖7所示。由圖7可知，本發明公開的方法可以較好地預測高合金化材料在非恒應變 速率條件下的動態再結晶分數。
[0038] 表2恒溫變應變速率的實驗方案
【主權項】
1. 一種預測時變工況下高合金化材料動態再結晶分數的方法，其特征在于該方法可以 有效地建立高合金化材料的動態再結晶動力學模型，并能預測恒溫恒應變速率和非恒溫恒 應變速率條件下的動態再結晶分數，其包括如下步驟： 步驟1:通過恒溫恒應變速率的熱壓縮模擬實驗，獲取不同變形條件下高合金化材料的 真應力-真應變曲線和保留變形組織的熱模擬試樣； 步驟2:通過金相實驗獲取熱壓縮模擬變形后試樣中心區域的金相照片； 步驟3:采用Photoshop軟件的魔法功能統計出金相照片中再結晶區域面積占總面積的 比例，獲得不同變形條件下熱模擬試樣中心區域的再結晶分數； 步驟4:采用有限元模擬方法獲取熱模擬試樣中心區域的等效應變值和平均應變速率 值； 步驟5:利用獲得變形條件與再結晶分數數據點集，采用最小二乘法，回歸出傳統的動 態再結晶動力學模型參數，所述的傳統的動態再結晶動力學模型為：其中，Xdrx為動態再結晶分數，e為應變，T為變形溫度(單位為K) j為應變速率(單位為s 4)，￡。為動態再結晶臨界應變，為動態再結晶發生50%時的應變，ai、a2、mi、加和以為材料 參數； 步驟6:在步驟5所述的傳統的動態再結晶動力學模型基礎上，建立改進型動態再結晶 動力學模型為：其中，￡w為考慮變形歷史的影響而引入的參數，42W)為考慮當前工藝參數的影響而引 入的參數，材料參數&、&2、!111、11(1和&的值與步驟5所述的傳統的動態再結晶模型中的參數值 相同。2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟5中所述的改進型動態再結晶動力學模型 為：其中，Xdrx為動態再結晶分數，e為應變，T為變形溫度(單位為K) j為應變速率(單位為s <)，￡。為動態再結晶臨界應變，5為動態再結晶發生50 %時的應變，ew為考慮變形歷史的 影響而引入的參數，S(U)為考慮當前工藝參數的影響而引入的參數，材料參數ai、a2、mi、nd 和&的值與權利要求1中所述的步驟5所述的傳統的動態再結晶動力學模型中的參數值相 同。
【文檔編號】G01N33/20GK106053754SQ201610522942
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月6日
【發明人】陳明松, 藺永誠, 李闊闊
【申請人】中南大學