熱成型過(guò)程中微觀組織演變統(tǒng)一本構(gòu)模型的建立

摘 要：

在金屬熱加工過(guò)程中，材料會(huì)發(fā)生粘塑性變形。在成形過(guò)程中，材料的微觀組織會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，在成形間隙或者后期材料的微觀組織會(huì)發(fā)生靜態(tài)變化?，F(xiàn)代技術(shù)要求能夠預(yù)測(cè)成型部分的微觀組織。在文中，會(huì)展示由材料學(xué)家們提出的各種各樣的模型，他們可以用來(lái)模擬個(gè)體微觀物理因素，例如在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程中晶粒尺寸的成大、位錯(cuò)密度的增加、回復(fù)、再結(jié)晶以及沉積物的溶解。現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)將基于微觀結(jié)構(gòu)的因子應(yīng)用于塑性流變模型中，形成了一套統(tǒng)一的塑性流變方程。通過(guò)子程序，可以用來(lái)模擬在熱加工過(guò)程中微觀組織的變化。在本篇論文中詳細(xì)敘述三種模型，他們模擬了在超塑性過(guò)程中晶粒尺寸的成大、在熱軋制過(guò)程中微觀組織的變化、熱處理后沉積物的溶解以及這些變化對(duì)鋁合金塑性流動(dòng)的影響。

關(guān)鍵詞：熱成型;微觀組織;本構(gòu)模型

前 言

所有的金屬工程材料都有一種特定的微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是在高溫處理過(guò)程中或者高溫處理后形成的。材料熱成型部分的機(jī)械性能很大程度上依賴(lài)于其微觀組織和微觀組織的變化，能否加工出高質(zhì)量的材料取決于微觀組織的控制能力[1]。不同的情形有不同表現(xiàn)，或者是不同的組成，或者是不同的晶體結(jié)構(gòu)，或者是晶粒尺寸的成大和晶粒的取向不同，或者是不同區(qū)域內(nèi)的不同結(jié)構(gòu)變形體，例如結(jié)構(gòu)缺陷（在成形過(guò)程中形成的位錯(cuò)、縮孔）[2]。在過(guò)去的幾十年里，在研究微觀結(jié)構(gòu)模型領(lǐng)域科學(xué)家們已經(jīng)做出了巨大的努力。本篇論文介紹了物理變量的作用和粘塑性材料模型的內(nèi)部變量耦合，形成了基于物理的，統(tǒng)一的粘塑性本構(gòu)方程組。下面介紹一些應(yīng)用統(tǒng)一模型來(lái)演化在高/低溫成形過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變化的實(shí)例。

1.個(gè)體微觀因素的建模各種機(jī)械熱加工條件下，在確定個(gè)別組織變量演化的主要?jiǎng)恿Ψ矫嬉炎鞒鲋卮笈?，許多物理變量的基礎(chǔ)已經(jīng)被廣泛認(rèn)識(shí)和多種類(lèi)型的模型已經(jīng)正確預(yù)測(cè)出個(gè)別微觀組織參數(shù)的演變。在形變過(guò)程中普遍應(yīng)用的模型將在下面介紹。

1.1六系鋁合金熱處理過(guò)程中沉積物的溶解

在六系鋁合金的熱處理過(guò)程中，沉積物會(huì)溶解在鋁合金基體中，進(jìn)而擴(kuò)散在整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)中，這些沉積物主要是Mg2Si和Si形式存在，沉積物的溶解將會(huì)改變材料的流動(dòng)性。為了計(jì)算在沉積物溶解過(guò)程中的擴(kuò)散速度，Porter和Easterling提出了擴(kuò)散因數(shù)：

為成型后的位錯(cuò)密度。規(guī)定后的位錯(cuò)密度值從0（原始值）到1（位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的飽和狀態(tài)）變化。在這個(gè)規(guī)定的位錯(cuò)密度率方程中包含了三種軟化機(jī)制。他們分別是回復(fù)，靜態(tài)回復(fù)（回火過(guò)程中）和再結(jié)晶。對(duì)于運(yùn)用統(tǒng)一本構(gòu)方程模擬兩道工序進(jìn)行的軋制過(guò)程，Liu and Lin提出了自己的模型和數(shù)值計(jì)算程序，運(yùn)用此模型和數(shù)值計(jì)算程序展開(kāi)分析[4]。分別展示了第一道工序中有效應(yīng)力場(chǎng)圖、位錯(cuò)密度參數(shù)圖、再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)圖和晶粒大小尺寸圖，在工件的左邊保持著原始微觀結(jié)構(gòu)，在軋制區(qū)域附近應(yīng)力變化劇烈，軋制后應(yīng)力出于一種比較低的水平（殘余應(yīng)力）和保持一種固定態(tài)除了在領(lǐng)先變形的末端，這里應(yīng)力狀態(tài)更復(fù)雜，取決于軋輥與材料之間的接觸條件，微觀結(jié)構(gòu)的變化存在不同的形式，一旦材料進(jìn)入軋輥內(nèi)，歸一的位錯(cuò)密度就直接從原始狀態(tài)增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]J.Lin，T.A.Dean.Modelling of microstructure evolution in hot forming using unified constitutive equations.Journal of Materials Processing Technology 167（2005）354-362

[2] A. LAASRAOUI and J.J. JONAS. Prediction of Steel Flow Stresses at

High Temperatures and Strain Rates. METALLURGICAL TRANSACTIONS A： 1545—1558 VOLUME 22A， JULY 1991

[3]Zhipeng Zeng， Stefan Jonsson， Yanshu Zhang. Constitutive equations for pure titanium at elevated temperatures. Materials Science and Engineering A 505 （2009） 116–119

[4]王少林，阮雪榆，俞新陸，陳森燦，胡宗式.金屬高溫塑性本構(gòu)方程的研究.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào).1996，（8）：20-24.

作者簡(jiǎn)介：易杰（1983-），男，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，講師（在讀博士）。

基金項(xiàng)目：湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013GK3050）