[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]钛合金热成形工艺形变与组织演变耦合多尺度仿真研究进展

讨论了钛合金高温变形晶体塑性有限元模拟的研究进展,并分析了晶体塑性模型在钛合金细观尺度不均匀变形和组织演化方面的应用;围绕钛合金热成形过程变形与组织演变耦合模拟需求,讨论了钛合金高温成形统一黏塑性本构模型的发展过程,并介绍了统一黏塑性本构模型在钛合金热成形工艺的应用实例。统一黏塑性本构模型考虑了钛合金高温变形过程中回复、再结晶、相变、损伤等组织演变行为与宏观应力应变之间的耦合作用,为实现钛合金构件形状尺寸和组织性能的精确预测和成形工艺优化提供了有效的手段。最后分析了钛合金热成形工艺多尺度建模仍存在的问题,并展望了多尺度建模的发展趋势。     

环件辗扩成形过程微观组织及性能控制研究进展

高性能大型环件精确辗扩控形控性一体化制造是大型运载火箭仓体、风电法兰、核电反应堆及石油化工容器等高端装备向着安全、轻量、高效和长寿命方面发展的迫切需求。综述环件辗扩成形过程微观组织及性能研究现状,分析单、双道次简单热模拟压缩试验和显微组织演变数值模拟技术在环件辗扩过程组织演变研究中的应用,探讨环件组织与性能控制中存在的问题,并指出目前的研究已无法满足上述高性能环件制造要求。提出复杂多道次物理模拟及内变量组织建模用于环件辗扩组织演化分析的必要性,探明环件宏观/微观织构定量表征和晶体塑性有限元法(Crystal plasticity finite element method,CPFEM)揭示组织演变机理的可行性。阐述今后高性能环件辗扩成形组织演变及性能控制的研究方向与重点,未来必须构建辗扩过程环件组织、织构和力学性能之间及其与工艺参数的定量关系。     

热成型工件的微观模拟与质量控制

为提高热成型工件的质量，须大力开展热成型过程的材料微观组织结构、本构模型、热力学和控制塑性流动的研究，进行计算机微观数值模拟与工艺优化。     

热成型过程中微观组织演变统一本构模型的建立

在金属热加工过程中，材料会发生粘塑性变形。在成形过程中，材料的微观组织会发生动态变化，在成形间隙或者后期材料的微观组织会发生静态变化。现代技术要求能够预测成型部分的微观组织。在文中，会展示由材料学家们提出的各种各样的模型，他们可以用来模拟个体微观物理因素，例如在静态和动态过程中晶粒尺寸的成大、位错密度的增加、回复、再结晶以及沉积物的溶解。现代技术已经将基于微观结构的因子应用于塑性流变模型中，形成了一套统一的塑性流变方程。通过子程序，可以用来模拟在热加工过程中微观组织的变化。在本篇论文中详细叙述三种模型，他们模拟了在超塑性过程中晶粒尺寸的成大、在热轧制过程中微观组织的变化、热处理后沉积物的溶解以及这些变化对铝合金塑性流动的影响。     

非均匀温度场下变梯度特性热成形技术研究

传统的热成形工艺所得制件虽具有超高强度,但塑性通常较低,且成形件各部位的力学性能相同,综合力学性能不高,难以满足日益增加的变梯度特性热成形制件的需求。对变梯度热成形技术进行较为深入的研究。利用有限元法分析非均匀温度场下板料热冲压过程,并通过试验揭示非均匀温度场下热成形过程中微观组织的演变规律及其对材料性能渐变性的影响。利用金属固态相变原理中不同的微观组织条件下成形件的力学性能不同,研究钢板热成形过程中板料初始非均匀温度场引起的板料微观组织分布状态,得到分别为铁素体、珠光体组织;铁素体、珠光体、马氏体混合组织;马氏体组织梯度渐变的微观组织形态。这种通过建立板料非均匀温度场达到材料微观组织渐变分布、性能梯度分布的工艺显著提高了成形件的综合力学性能,为深入探讨热成形技术提供了新的研究方向,扩宽了热成形制件的范畴。     

工艺参数对冷搓成形花键晶粒影响的跨尺度分析研究

多场跨尺度分析研究有助于提高成形质量,分析花键成形过程中材料内部微观组织演变规律,对工艺优化、质量预测与控制具有非常重要的指导意义.建立了冷搓成形加工的热力耦合模型并进行了仿真模拟,分析了模拟结果的宏观尺寸及成形过程中工件微观组织演变规律,并通过改变进给速度和摩擦因数,分析工件成形过程中晶粒尺寸在不同工艺参数下的变化趋势,得到进给速度和摩擦因数对晶粒尺寸的影响,为进一步研究材料内部微观组织演变规律,花键形性一体化制造提供理论依据.     

电弧增材成形单道两层熔积过程中的晶粒生长模拟

晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段,现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型,模拟单道第两层熔积的熔池凝固过程中晶粒动态演变过程。模拟结果显示,单道第一层熔积熔池凝固过程中晶粒从熔合线位置形核后向熔池中心生长,在温度梯度方向与枝晶臂优先生长方向的共同作用下,枝晶呈现竞争生长,晶粒优先生长方向与温度梯度方向一致的晶粒生长更快,部分晶粒生长被抑制,最终形成交错、完全粗大的柱状晶组织,枝晶之间出现溶质富集的现象;单道第二层熔积的晶粒在上一层粗大柱状晶基础上形核并生长,随后的生长过程与第一层类似,第二层熔积时熔池温度梯度方向的改变导致晶粒的主要生长方向与第一层之间有一定夹角。与模拟相同成形工艺的成形试样金相照片验证了模拟结果。研究结果可为电弧增材成形微观组织控制以及后续工艺规划提供依据和参考。     

热带钢连轧多场耦合演变过程有限元分析

根据物理冶金组织演变规律和经验公式，开发了金属热变形过程耦合组织演变的计算模块。结合某厂2050热带钢连轧工艺过程，利用非线性刚塑性有限元法，建立热连轧过程热、力、组织的多参量耦合仿真模型。运用该模型对2050现场实际轧制过程进行模拟计算，分析了轧制过程轧件变形场、温度场及显微组织的演变规律。模拟得到的轧制力能参数、温度、组织分布与实测数据基本一致。     

热锻成形过程微观组织模拟技术的研究现状

介绍了金属热锻成形过程中微观组织演变的数学模型,综述了近年来国内外金属热锻成形过程中微观组织模拟技术的研究现状和发展趋势。     

面向数字成形制造的高精度模拟计算技术

在中国国家自然科学基金资助项目《工程中数值分析的复杂力学建模与高精度方法》、中国国家自然科学基金资助项目《精确成形制造中的高梯度特征建模与典型工艺分析》，以及中国教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目《塑性微成形中复杂力学行为的两尺度耦合建模研究》共同资助下，开展高精度数值模拟方法的研究，对以上研究取得的成果进行学术总结。 认为数字成形制造的研究发展方向是：(1)数字成形制造的共性基础性问题研究，包括多场和多尺度耦合、高度非线性和高梯度、时间和构形的动态过程、局部精细和大规模计算、计算的可靠性；(2)数字成形制造过程的典型特征原型及建模，包括材料成形过程中的宏/微观、性能/组织等多场特征原型，固态塑性成形、液态及半固态成形、焊合过程的特征计算建模，典型制造过程(塑性成形、液态及半固态成形)模型的大规模数值计算方法；(3)基于网络的数字成形制造平台，包括基于网络实现成形制造数字化的基础问题研究，计算信息的数据管理与网络通信技术，基于网络的大规模平行计算实现(分布式和超级计算机)。     

Prediction of deformation behavior and microstructure evolution in heavy forging by FEM

A numerical simulation of multi-stage heavy forging process using the finite element method (FEM) is presented in this study. The process of heavy forging is highly non-linear, where both microstructure and boundary conditions are altered by plastic deformation during forming. Therefore, it is necessary to understand the problem of plastic deformation in heavy forging. In order to investigate deformation behavior and microstructure evolution in heavy forging, a constitutive equation considering the effects of strain hardening and dynamic softening of the IN718 alloy is built. The constitutive equation and microstructure models are implemented into the finite element code to simulate deformation behavior and microstructure evolution in the rotary forging of heavy container head. As a result, variations of flow stress, effective strain, temperature, damage, and grain size in every stage are predicted.     

高强铝合金热塑性变形本构关系研究现状及发展趋势

高强铝合金热成形工艺条件下的变形行为表征,需要在考虑温度、应变速率及应变影响的基础上结合微观演化行为建立热塑性本构关系。总结了高强铝合金热塑性变形本构关系相关研究成果。研究结果表明：广泛应用的唯象本构模型通过修正模型参数可以充分耦合应变、温度及应变速率作用,并准确地预测不同变形条件下的流动应力,然而缺乏对变形机制的明确解释,使得唯象本构模型对试验温度、应变速率变化范围较大以及试验条件范围外的变形行为预测精度难以得到保证;基于物理意义的本构模型能够模拟位错密度、晶粒尺寸及动态再结晶等微观演化过程,对流动应力进行精确计算,展现了强大的宏微观变形预测能力,是高强铝合金热塑性变形本构关系的研究趋势。     

金属薄壁筒体对轮旋压技术进展及应用探析

对轮旋压是成形大型高强金属薄壁筒体的关键技术。分别从塑变机理、成形精度影响与控制、组织演变与缺陷、对轮旋压设备等四方面概述了金属薄壁筒体对轮旋压技术的最新研究进展,指出时变非线性特点导致塑性流动控制困难是对轮旋压技术工程化应用的瓶颈。剖析了对轮旋压技术难点,分析探讨了其发展趋势,揭示出多源混动的对轮主动强力柔性旋压工艺对超高强金属、大尺寸薄壁筒体精密旋压成形的借鉴意义。     

An upper-bound analysis of friction in metal forming

In the analysis of metal forming processes, a knowledge of friction is important, especially when the microstructure evolution and criteria for limiting phenomena are predicted by numerical simulation. The friction wave model has been studied by several researchers. Their analyses are mainly based on the assumption that there is no plastic deformation of the bulk material. However, it is necessary to clarify the influence of bulk material deformation on the surface asperity deformation. This paper deals with the development of a friction wave model by considering the influence of bulk material on the surface asperity deformation. The situation of rough tool—smooth workpiece (RT—SW) contact during forming process has been investigated. Based on this condition, an admissible velocity field is constructed for the upper bound analysis. The relationship between the normal pressure and the sliding resistance is established over a large range of pressure. The role of surface roughness, bulk displacement and bulk strain on metal forming friction is analysed.     

金属热成形的现代研究方法

针对以往对金属热成形过程和组织性能控制的研究存在许多困难和不足，提出了用热力学模拟、微观模拟和计算机数值模拟综合集成的方法研究金属材料热成形的机制与规律，为工艺过程和产品质量的科学控制以及新技术的开发提供依据。     

Effects of nanocrystallized layer on the tribological properties of micro-arc oxidation coatings on 2618 aluminum alloy under high temperatures

As one of the incremental bulk metal forming, the main plastic metal flow of axial closed die rolling (ACDR) process consists of the axial compression and circumferential torsion. The key difference between the ACDR and forging processes should be concentrating on the plastic deformation zone (PDZ) evolution, especially on the condition of thermal deformation. Therefore, the verified FEM and corresponding experiment have been proposed to find out the systematic rule of PDZ. The thermal parameter distribution of the workpiece has been explored to obtain the PDZ evolution at different deformation extent. PDZ evolution mode has also been proposed, and the distribution of microstructure/hardness is given to the evidence of PDZ mode. The results show that the PDZ spreads from the contact area of the upper surface of the lower/side surface in ACDR process. Multiple thermal parameter evolution in ACDR process could be found through the analysis of microstructure morphology. Also, microstructure orientation could be the fundament of PDZ evolution. The cooling rate and the periodic evaluation of thermal parameters should be the main factors for the microstructure evolution, including the distribution of lamellar α and globular α. Then, the extent and range of PDZ could be defined through the observation and analysis of hardness evolution.     

基于连续介质损伤力学的高强度钢板热成形性数值预测

基于连续介质损伤力学模型,建立耦合损伤的热成形本构方程。将该本构方程引入到自主开发的金属成形有限元软件KMAS中,从而可对高强度钢板在热成形过程中的损伤演化及成形性能进行预测。本构方程中与温度及应变率相关的损伤参数控制着热成形过程中的损伤演化,对成形性数值预测具有重要的意义。为标定本构方程中的损伤参数,进行不同温度及应变率下的等温热拉伸试验,并对拉伸过程进行数值模拟,通过优化对比数值计算和试验所得的力-位移曲线,获得了不同温度及应变率下的损伤参数。随后将损伤参数引入KMAS中,对一款典型汽车B柱在热成形过程的成形性进行数值预测,并与试验结果进行对比,结果证明了所建立耦合损伤本构方程的正确性。     

Mechanical property of Ti-6Al-4V sheet in one-sided electric hot incremental forming

Although Ti-6Al-4V titanium can be quickly and easily formed by electric hot incremental forming, the material property is the key factor for industrial application. In the current work, mechanical properties of Ti-6Al-4V sheet in one-sided electric hot incremental forming, such as microstructure, hardness, and tensile strength, were investigated. The results show that the current is obviously the most important factor to elevate temperature, so a higher feed rate can be adopted if the current is increased. In order to keep a constant processing temperature, an online temperature detector and current feedback system should be adopted. After observation and analysis of the microstructure of forming workpieces, the electric hot incremental forming is an integrated process, which involves plastic hardening and annealing. The temperature of the tool–workpiece contact side reached the β-transus one, α phase disappeared, and the basket weave structure was formed because of the fast air-cool. A composite organization with superior property which includes elongated α phase grains and basket weave structure can be acquired by one-sided electric hot incremental forming. If a uniform metal structure is obtained, special heat treatment must be adopted. Micro-hardness analysis shows that electric hot incremental forming is an enhanced processing. In order to improve the tensile strength, the oxidation of sheet must be prevented and inert gas protection should be adopted in future research.