基于响应面法的Ti2AlNb基合金工艺参数优化研究

本文采用Gleeble-3500热模拟试验机对Ti2AlNb基合金进行了变形温度为650-850℃、应变速率0.001-1s-1的压缩实验,研究其热变形行为,获得Ti2AlNb基合金最优工艺参数范围。首先分析Ti2AlNb基合金的流变应力曲线,并计算热变形激活能Q、lnZ和功率耗散因子η,从而建立以热变形激活能Q、lnZ和功率耗散因子η的二阶响应面模型,再通过多目标可视化优化得出Ti2AlNb基合金优化后的最佳区域,并结合微观组织图验证。结果表明Ti2AlNb基合金随变形温度升高和应变速率减小流变应力随之减少;建立的响应面模型具有较高精度,可以用于工艺参数的优化与分析;多目标可视化优化结果得出Ti2AlNb基合金优化后的最佳区域是变形温度750-850℃、应变速率0.01-0.03s-1。     

基于物理参数和响应面法的S280超高强度不锈钢本构模型

采用Thermecmaster-Z型热模拟试验机在变形温度为800～1000℃、应变速率为0.001～10 s^-1条件下对S280超高强度不锈钢进行了等温恒应变速率压缩实验，分析了S280超高强度不锈钢的热变形行为，计算了热变形激活能。考虑变形温度对自扩散系数和杨氏模量的影响，建立了S280超高强度不锈钢基于应变补偿的物理本构模型。以变形温度、应变速率和应变为输入变量，流动应力为响应目标，建立了S280超高强度不锈钢的响应面本构模型。结果表明，S280超高强度不锈钢为正应变速率负温度敏感型材料，其流动应力随应变速率的增加和变形温度的降低而增大。热变形激活能对变形条件敏感，其随变形温度、应变速率和应变的增加而减小。基于应变补偿的物理本构模型具有一定的物理意义和良好的预测精度，其相关系数R和平均相对误差e_AARE分别为0.971和7.8%。响应面本构模型的响应曲面和等高线图能反映变形条件之间的相互作用对流动应力的影响。建立的两个本构模型都能够用于表征S280超高强度不锈钢在热变形过程中的流动应力行为。     

X12CrMoWVNbN钢的热变形行为及热加工图

利用Gleeble3180热模拟试验机,在变形温度为950~1100 ℃,应变速率为0.001~1 s^-1,真应变为0.7的条件下,对X12CrMoWVNbN钢进行了高温单向热压缩试验。通过不同条件下的高温流变曲线分析了变形温度和应变速率对试验钢热变形力学行为的影响。以Arrhenius方程为本构模型,建立了能够预测该钢流动应力的本构方程。基于动态材料模型和试验参数、结果,绘制了该钢不同应变量下的热加工图并结合图进行了组织分析。结果表明,流变峰值应力和稳态应力随温度降低或应变速率升高而升高;功率耗散系数随应变速率降低和变形温度的升高而增大;最优热加工区域功率耗散系数η的值都在0.4以上,且这些区域的变形组织晶粒均匀细小;0.3、0.4、0.5和0.6应变下的最优热加工区域都处于变形温度1050~1100 ℃、应变速率0.001~0.003 s^-1的范围。     

AZ31镁合金热变形动态再结晶晶粒尺寸预测模型

采用热模拟实验方法获得了AZ31镁合金热变形真实应力-真实应变曲线，分析了变形工艺参数对AZ31镁合金热变形动态再结晶晶粒尺寸的影响规律。随着塑性变形应变速率的增大，动态再结晶晶粒尺寸减小。随着塑性变形温度的升高，晶粒尺寸增大。基于Yada模型，建立了AZ31镁合金热变形动态再结晶晶粒尺寸与变形工艺参数关系模型，以及动态再结晶临界应变与变形温度关系模型。晶粒尺寸预测模型计算值与实验值相吻合，最大相对误差为8.5%。临界应变模型计算值与实验值相吻合，最大相对误差为8.1%。建立的动态再结晶晶粒尺寸预测模型和临界应变预测模型的适用条件为变形温度250～400℃,应变速率0.01～1.0 s^-1。     

60NiTi合金的热压缩变形与显微组织演变（英文）

采用Gleeble-3500热模拟试验机对在变形温度500～650℃和应变速率0.001～1 s^-1条件下的60NiTi合金进行热压缩变形,分析其热变形行为和显微组织,建立变形本构模型,绘制热加工图。结果表明,当压缩温度升高或应变速率降低时,峰值应力减小。合金的热变形激活能为327.89 k J/mol,热加工工艺参数为变形温度600～650℃和应变速率0.005～0.05 s^-1。当变形温度升高时,合金的再结晶程度增大;当应变速率增大时,位错密度和孪晶数量增大,Ni₃Ti相易于聚集;Ni₃Ti析出相有利于诱发合金基体的动态再结晶。动态回复、动态再结晶和孪生是60NiTi合金热变形的主要机制。     

Laves相NbCr2/Nb两相合金热变形工艺参数优化

采用Gleeble-3500热模拟试验机研究了Laves相NbCr₂/Nb两相合金在变形温度为1000～1200℃和应变速率为0.001～0.1 s^-1条件下的热变形行为，基于动态材料模型建立了合金的功率耗散图和加工图，分析了工艺参数对功率耗散效率和失稳参数的影响，并结合微观组织获得了最优工艺参数。结果表明，降低应变速率和提高变形温度，功率耗散效率和失稳参数总体均增大。根据加工图和微观组织确定出的Laves相NbCr₂/Nb两相合金的流动失稳变形工艺参数范围大致为：1000～1100℃、0.004～0.1 s^-1和1100～1200℃、0.016～0.1 s^-1,对应的失稳形式为裂纹形成。适宜的热变形工艺参数范围为：1000～1100℃、0.001～0.002 s^-1和1100～1200℃、0.001～0.01 s^-1,其中最佳变形工艺参数分别为1050℃、0.001 s^-1和1175℃、0.001 s^...     

Incoloy825高温合金热变形行为及动态再结晶模型

采用Gleeble-3800热模拟试验机，对Incoloy825高温合金在应变为0.92、温度为950～1150℃和应变速率为0.001～1 s^-1条件下进行单道次压缩试验。依据真应力-真应变曲线建立了动态再结晶临界方程和动态再结晶动力学模型。结果表明，Incoloy825高温合金热变形对温度和应变速率较为敏感，真应力-真应变曲线整体满足硬化-软化-稳态的流变过程，动态再结晶是Incoloy 825高温合金材料的主要软化机制。在热变形过程中，动态再结晶临界应变随变形温度的升高和应变速率的降低呈减小趋势。对动态再结晶动力学模型进行分析发现，动态再结晶百分含量随变形温度的升高和应变速率的降低而增大，表明高变形温度和低应变速率对动态再结晶具有促进作用。     

COST FB2钢热变形行为及热加工图

利用Thermecmastor-Z热模拟试验机对COST FB2钢进行了等温压缩试验，研究了其在不同热变形工艺参数下的热变形行为、显微组织演变规律以及最优的热加工工艺窗口。结果表明，热变形过程中，流变应力随着变形温度的升高及应变速率的降低而降低，在不同的应变速率与变形温度下，流变应力曲线呈现出动态再结晶、动态回复与加工硬化特征。基于Arrhenius方程和Zener-Hollomon函数，求得COST FB2钢的热变形激活能Q为449.56 kJ·mol^-1。建立了本构模型，该模型预测值与试验值吻合度较高。基于Prasad失稳判据建立了COST FB2钢热加工图，结合热变形后的显微组织特征，发现失稳区主要集中分布于变形温度900～950℃、应变速率0.04～0.5 s^-1范围内，其显微组织为沿变形方向拉长的带状组织，并存在局部流动性，对应的功率耗散值η较低；安全区显微组织主要特征是部分动态再结晶组织，功率耗散值η较高。确定了其0.8应变量下合理的热加工工艺窗口为：变形温度975～1050℃、应变速率0.01～0.14 s^-1     

316L/Q420双金属热变形行为及热加工图

为研究不锈钢和低合金高强钢双金属的高温变形行为，对316L/Q420双金属进行了温度为950～1150℃、应变速率为0.01～10 s^-1、最大变形量为50%的单向热压缩试验，通过观察试验结果，研究了该双金属的热变形行为，进而构建了基于Z参数的Arrhenius本构方程，并应用动态材料模型和Prasad失稳判据绘制了应变分别为0.1、0.3、0.5和0.7时的热加工图。结果表明，316L/Q420双金属热变形具有典型的动态再结晶型特征，流变应力随温度的升高和应变速率的降低而减小；根据所建本构方程得到的预测应力与试验值之间有良好的线性相关性。对应热加工图，综合分析了碳钢侧微观组织状态和脱碳层厚度，确定了最优热加工工艺窗口为：变形温度为1110～1150℃,应变速率为1.284～10 s^-1。     

变形参数对FGH4113A粉末高温合金微观组织演化的影响

针对一种新型粉末高温合金FGH4113A(WZ-A3)进行了一系列热压缩实验,探究了变形温度、应变速率、应变量对微观组织演化的影响规律,并提出了获得细小均匀γ+γ′双相晶粒组织的热变形参数。结果表明：在温度1100℃、应变速率0.1 s^-1、真应变0.1～0.7范围内,应变增大有利于促进动态再结晶以及细化晶粒。随应变增加,γ’相体积分数先减小后增大,随后保持稳定,并且在热变形过程中γ’相形貌逐渐趋于球形。在温度1100℃、变形量50%、应变速率0.01～1 s^-1范围内,应变速率增大能够提高动态再结晶程度并细化晶粒。应变速率由0.01～0.1 s^-1增大至1 s^-1时,由于绝热温升以及位错滑移加剧,γ’相体积分数减小约2%。在应变速率0.1s^-1、变形量50%、温度1070～1160℃范围内,变形温度的提升有利于促进动态再结晶和晶粒长大。随着变形温度升高至1130℃,γ’相已大量溶解,钉扎晶界能力大幅减弱,平均晶粒尺寸增大至12.1μm。在变形温度1100℃、应变速率1 s     

Cr5钢的热加工性能分析

使用Gleeble-1500D热模拟试验机进行了Cr5钢在变形温度为800～1250℃,应变速率为0.001～1 s^-1条件下的热拉伸试验和单道次热压缩试验,并用S-4800扫描电镜和电子显微镜分别对热拉伸断口的形貌和组织进行了观测。基于热拉伸试验研究了Cr5钢的断裂规律和热塑性。结果表明,在900～1250℃、0.001～1 s^-1的变形条件下Cr5钢均具有良好的热塑性,在研究的参数范围内,热塑性随变形温度和应变速率的升高而增强。基于热压缩试验分析研究了不同参数下的微观组织和热加工图。结果表明,温度越高,应变速率越低,材料的动态再结晶程度越高,且材料在低温、高应变速率下变形会出现失稳。Cr5钢的最佳热加工参数为1050～1200℃、0.1～0.01 s^-1。     

TC21钛合金热压缩本构方程及热加工图

为准确获得TC21钛合金塑性加工的变形特征和热加工条件，合理设计锻造工艺参数，利用Gleeble-3500热模拟机进行等温恒应变速率热压缩试验，研究了TC21钛合金在变形温度为830～1010℃、应变速率为0.01～10 s^-1条件下的热变形行为，采用Arrhenius双曲线正弦函数推导出TC21钛合金本构方程。并基于动态材料模型(Dynamic Materials Model, DMM)建立了TC21钛合金的热加工图。结果表明，在本试验的变形条件下，该合金的流变应力随着变形温度的降低和应变速率的升高而增大。根据热加工图确定了合金的热加工安全区域为：变形温度为900～940℃、应变速率为0.01～0.05 s^-1和变形温度为970～1010℃、应变速率为0.01～0.08 s^-1。     

退火态42CrMo钢的热变形行为

为了研究退火态42CrMo钢的热变形行为，利用Gleeble3800热模拟试验机进行了单道次热压缩实验，获得了变形温度930～1230℃、应变速率0.001～1 s^-1条件下的高温流变应力曲线。分别应用Arrhenius方程和Yada模型构建了42CrMo钢的高温本构模型和动态再结晶动力学模型，并基于动态材料模型应用不同变形条件下的峰值应力构建了其热加工图。结果表明，在大部分变形条件下，高温流变应力曲线呈典型动态再结晶特征，由于动态再结晶的作用，流变应力随变形温度的升高或应变速率的降低而减小。基于峰值应力构建的42CrMo钢高温本构模型和动态再结晶模型可以用于预测不同变形条件下的流变应力和微观组织演变。此外，根据42CrMo钢的热加工图，最佳热加工工艺参数范围为1100～1230℃、0.01～1 s^-1。     

Ti-Mo-V微合金化钢的热变形行为

在Gleeble-1500热模拟试验机上对Ti-Mo-V微合金化钢进行单道次热模拟压缩试验,分析了变形温度、应变速率、变形程度等对试验钢热变形行为的影响。结果表明,在一定条件下,流变应力随变形温度的升高而降低,随应变速率的增加而增大。当应变速率大于10 s^-1和变形温度小于1000 ℃时,发生动态回复;当应变速率小于1 s^-1和变形温度大于850 ℃时,发生动态再结晶。在Sellars -Tegart方程的基础上,建立了试验钢加工硬化-动态回复和动态再结晶精度较高流变应力模型,并采用回归的流变应力模型预报了Ti-Mo-V微合金化钢的实际轧制压力,预报值与实测值吻合良好。     

Sc掺杂TiB2/6061复合材料热变形行为及热加工图

采用Gleeble-3800热模拟试验机对0.2%Sc-2%TiB₂/6061复合材料进行热压缩实验，研究了该材料在变形温度为623～773 K、应变速率为0.001～1 s^-1条件下的热变形行为，基于应力应变曲线，构建了材料的本构方程及热加工图。结果表明：0.2%Sc-2%TiB₂/6061复合材料的流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低，材料的热变形激活能为227.751 kJ/mol；在热压缩过程中，失稳区主要出现在高应变速率区域(663～773 K,0.132～1 s^-1)及低温区域(623～655 K,0.001～0.040 s^-1)，最优的热加工区域为变形温度703～773 K、应变速率0.017～0.107 s^-1。热变形过程中该材料的软化机制主要为动态回复。     

HST2425钛合金动态力学行为及本构模型

使用电子万能试验机和分离式霍普金森杆装置(SHPB)研究了HST2425钛合金在温度为293～673 K、应变速率为0.0001～6500 s^-1下的准静态和动态力学性能。结果表明,HST2425钛合金的最大应力和最大应变均随应变速率的增大而增加,但是应变速率超过3500 s^-1后最大应力的增加程度降低,在应变速率超过5500 s^-1后最大应变的增加程度也降低。随变形温度的升高,流变应力显著降低,并且温度和应变速率在动态压缩过程中具有交互作用。根据试验结果建立了HST2425钛合金的原始Johnson-Cook(J-C)模型及其修正模型,且修正模型与试验值的相关性比原始模型更好,表明修正模型在预测HST2425钛合金动态冲击变形行为方面具有更高的准确性和适用性。     

新型Al-Mg-Si-RE合金的热变形行为

设计制备了4种不同Mg/Si比并添加稀土元素Ce、Er、Zr和B的新型Al-Mg-Si合金,并研究了其显微组织与导电率及抗拉强度。然后以一种优化成分的Al-Mg-Si-RE合金为研究对象,通过 Gleeble-3500热模拟机进行热压缩试验,研究了变形温度为300~450 ℃,应变速率为0.001~1 s^-1时该新型合金的热变形行为。通过试验数据构建该合金的本构方程和热加工图,通过光学显微镜研究显微组织的演变。结果表明,当Mg/Si比为1.4时,该合金具有优异的性能,该合金流变应力随着变形温度的升高而降低,随应变速率的增大而增大。计算得到该合金的热变形激活能为176.188 kJ/mol,所得本构方程对该合金的流变行为具有指导作用。由热加工图可知,该合金适宜在变形温度为300~320 ℃,应变速率为0.001~0.015 s^-1或变形温度为430~450 ℃,应变速率为0.001 s^-1或1 s^-1附近的条件下进行热加工。     

基于铸辗复合成形的42CrMo钢稳态变形参数的确定

通过热压缩试验获得42CrMo钢铸坯的流变应力,以动态材料模型和Prasad's失稳准则为基础,建立不同变形量下42CrMo钢铸坯的功率耗散图、失稳图及加工图,分析其热变形过程并确定稳态变形参数。研究得出了变形失稳区在高应变速率(大于0.35 s^-1)时出现,且随应变速率的增加和变形量的增大,失稳区域变宽。变形温度850~1150 ℃、应变速率0.05~0.35 s^-1为稳态变形区域。功率耗散效率的峰值35%出现在1100 ℃/0.05 s^-1处,被认为是最佳变形工艺参数。     

基于摩擦修正的GE1014钢热本构方程及热加工图

对GE1014钢进行了热变形温度为850～1200℃、应变速率为0.01～10 s^-1、应变量为0.7条件下的高温轴向压缩试验，对流变曲线进行了摩擦修正，建立了GE1014钢的热本构方程和Z参数方程，基于动态材料模型理论建立了GE1014钢的热加工图，并通过材料变形后的显微组织分析确定了热加工图的准确性和最后热变形区域。结果表明，摩擦效应在低变形温度或高应变速率条件下对GE1014钢的高温流变曲线影响显著；计算得到摩擦修正后的GE1014钢的热变形激活能为400.197 kJ·mol^-1;当试验钢的真应变为0.4和0.7时，在试验条件下的高温、低应变速率区的能量耗散效率η达到最大值0.34。综合分析热加工图及试验钢的显微组织，确定了GE1014钢在变形温度为1100～1150℃、应变速率为0.1 s^-1条件下能够获得均匀、细小的完全动态再结晶组织，此时GE1014钢的热加工性能最好。     

Mg-6Gd-1.2Y-0.53Zr合金的热变形行为及热加工图

采用热模拟试验法研究了变形温度(340～500℃)和应变速率(0.01～25 s^-1)对均匀化态Mg-6Gd-1.2Y-0.53Zr合金动态再结晶(DRX)临界应变及体积分数的影响,通过构建热加工图优化了其热加工工艺参数范围。结果表明,在0.01～1 s^-1的低应变速率下,该合金的动态再结晶(DRX)临界应变量随变形温度的升高而升高,而在10～25 s^-1高应变速率下,DRX临界应变量随变形温度的升高而略微下降。应变速率及变形温度的升高都使DRX体积分数增大,在500℃、25 s^-1条件下,合金的动态再结晶体积分数最高,达90.0%。根据构建的热加工图,当变形量在30%～80%之间时,较佳的热加工工艺区间为400～500℃、0.01～1 s^-1以及420～500℃、10～25 s^-1。在10～25 s^-1应变速率下,当变形量为10%～80%时,合金最适宜的变形温度为460～500℃。