一种预测时变工况下高合金化材料动态再结晶分数的方法
【专利摘要】本发明公开了一种预测时变工况下高合金化材料动态再结晶分数的方法。该方法包括如下步骤：(1)通过热压缩模拟实验获取材料变形后试样；(2)通过金相实验获取试样金相照片；(3)利用Photoshop软件统计试样的再结晶分数；(4)利用有限元模拟获取试样等效应变值和平均应变速率值；(5)回归出传统的动态再结晶动力学模型参数；(6)将传统的动态再结晶动力学模型改进为能预测时变工况下的动态再结晶分数的新模型。本发明公开方法的优势在于其可以用于建立高合金化材料的动态再结晶动力学模型，并用于预测时变工况下动态再结晶分数。
【专利说明】
一种预测时变工况下高合金化材料动态再结晶分数的方法
技术领域：
[0001] 本发明属于锻造技术领域，涉及一种预测时变工况下高合金化材料动态再结晶分 数的方法。
【背景技术】：
[0002] 高合金化金属，如镍基高温合金、铁基高温合金，由于其在较高温度下仍具有高的 强度、良好的抗疲劳、抗蠕变、抗氧化、耐腐蚀性能，被广泛用于制造各种形状复杂、性能要 求特别高的航空、航天、船舶、电力等领域的关键零部件。
[0003] 对于镍基高温合金和铁基高温合金等高合金化材料，其在高温变形过程中流变应 力除了受到动态回复、动态再结晶等机制影响之外，还存在着固溶原子含量变化造成固溶 强化效应的增强或减弱作用，以及复杂第二相析出与溶解造成的第二相强化效益的增或减 弱作用。因而，材料在热变形过程中动态再结晶分数难以通过流变应力曲线软化效应反求 获得，从而导致其动态再结晶动力学模型难以建立。因此，迫切需要提出一种简单可行的高 合金化材料动态再结晶动力学模型的建立方法。
[0004] 此外，由于现有动态再结晶动力学模型存在的最大弊端是其只能用于预测恒温恒 应变速率条件下的动态再结晶分数，对于非恒温恒应变速率工况下，只能取其变形温度和 应变速率的平均值用于计算，极大地影响了其预测精度。因此，十分有必要提出一种能预测 材料经历任意变形历史后(包括恒温恒应变速率和非恒温恒应变速率条件)动态再结晶分 数的方法。
【发明内容】
：
[0005] 本发明的目的在于提供一种预测时变工况下高合金化材料动态再结晶分数的方 法，该方法可以利用恒温恒应变速率的热压缩模拟实验、金相实验和数值模拟实验，建立改 进型的高合金化材料动态再结晶动力学模型;使其能用于预测材料经历任意变形历史后动 态再结晶分数，以解决现有模型难以预测非恒温恒应变速率工况下材料动态再结晶行为的 难题。
[0006] 本发明解决上述难题的方案是：
[0007] 步骤1:通过恒温恒应变速率的热压缩模拟实验，获取不同变形条件下高合金化材 料的真应力-真应变曲线和保留变形组织的热模拟试样；
[0008] 步骤2:通过金相实验获取热压缩模拟变形后试样中心区域的金相照片；
[0009] 步骤3:采用Photoshop软件的魔法功能统计出金相照片中再结晶区域面积占总面 积的比例，获得不同变形条件下热模拟试样中心区域的再结晶分数；
[0010] 步骤4:采用有限元模拟方法获取热模拟试样中心区域的等效应变值和平均应变 速率值；
[0011] 步骤5:利用获得变形条件与再结晶分数数据点集，采用最小二乘法，回归出传统 的动态再结晶动力学模型参数，所述的传统的动态再结晶动力学模型为：
[0013] 其中，Xdrx为动态再结晶分数，e为应变，T为变形温度(单位为K)，2为应变速率(单 位为s'A为动态再结晶临界应变，e Q.5为动态再结晶发生50%时的应变， 为材料参数；
[0014] 步骤6:在步骤5所述的传统的动态再结晶动力学模型基础上，建立改进型动态再 结晶动力学模型为：
[0015]
[0016] 其中，￡w为考虑变形历史的影响而引入的参数，s:(d)为考虑当前工艺参数的影响 而引入的参数，材料参数&、&2、!11 1、11(1和〇1的值与步骤5所述的传统的动态再结晶模型中的参 数值相同。
【附图说明】：
[0017] 图1 GH4169合金试样原始晶粒组织；
[0018] 图2热模拟实验获得流变应力曲线：（&^ = 980°(：;(1^ = 〇.〇58_1;
[0019]图3采用Photoshop软件统计再结晶分数的示意图：（a)原始金相图片；（b)魔法工 具选中后；
[0020]图4热模拟实验有限元仿真模型；
[0021 ]图5热模拟实验后试样的等效应变分布图；
[0022] 图6恒应变速率条件下的预测结果与实验结果比较；
[0023] 图7变应变速率条件下的预测结果与实验结果比较。
【具体实施方式】：
[0024] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0025] 本发明一种预测时变工况下高合金化材料动态再结晶分数的方法，下面以预测典 型的高合金化材料GH4169合金(其初始组织如图1所示)动态再结晶分数为例，详细介绍本 发明涉及的预测方法的具体实施细节，其方法包括：
[0026]步骤1:通过恒温恒应变速率的热压缩模拟实验，获取不同变形条件下GH4169合金 的真应力-真应变曲线和保留变形组织的热模拟试样。恒温恒应变速率的热模拟实验工艺 参数为：变形温度选取920°(：、950°(：、980°(：、1010°(：与1040°(：，应变速率选取0.0018一1、 O.Ols'O.OSsi和O.ls^变形程度均为60%。在实验过程中，试样首先以10°C/s速度加热 至变形温度，保温300秒，以使试样温度均匀，然后以恒应变速率压缩试样至真应变为0.92 (变形程度60%)，变形结束后，立即水淬保留组织。在实验过程中，自动记录真应力一真应 变曲线。通过实验获得的典型流变应力曲线如图2所示。
[0027]步骤2:通过金相实验获取热压缩模拟变形后试样中心区域的金相图片。将步骤1 中热模拟实验获得变形试样沿中心线切成两半，对剖切面进行研磨、抛光，然后将抛光后表 面放在腐蚀试剂（100ml HCI+100ml CH3CH20H+5g CuCl2的充分混合溶液）中腐蚀3-5min(室 温条件下），当试样抛光面的光泽褪去出现银灰色时将试样取出，用酒精冲洗，并用热吹风 机吹干;最后在金相显微镜中观察变形后的金相组织，获取金相照片。图3(a)所示为典型热 模拟试样中心部位的金相组织。
[0028]步骤3:采用Photoshop软件的魔法功能统计出金相照片中再结晶区域的面积占总 面积的比例，获得不同变形条件下热模拟试样中心区域的再结晶分数，如图3(b)所示。其基 本方法是通过魔棒工具选取出金相图片中的所有原始晶粒，然后计算选中区域的像素，除 以图片总像素，这是原始晶粒所占比例，而再结晶分数就是所余像素所占的比例。采用步骤 3所述方法计算获得不同变形条件下的热模拟试样中心区域的动态再结晶分数如表1所示。
[0029] 步骤4:采用有限元模拟方法获取热模拟试样中心区域的等效应变值和平均应变 速率值。热模拟实验仿真模型如图4所示，其边界条件与热模拟实验相同，本发明实例中有 限元仿真在Def 〇rm-3D商用有限元软件中完成，仿真中需要的材料流变应力模型为步骤1中 获得流变应力曲线。有限元模拟获得的试样变形后等效应变等值线图如图5所示。如图5所 示可知，热模拟试样变形是不均匀的。采用Def 〇rm-3D软件提供的点跟踪的技术获得不同变 形条件下中心区域等效应变值与平均应变速率值，结果如表1所示。
[0030] 表1不同变形温度和应变速率条件下变形试样心部的应变和动态再结晶百分数
[0032]步骤5:利用获得变形条件与再结晶分数数据点集(表1所示），采用最小二乘法，以 模型预测值与步骤3所求的实验值的误差平方和最小为优化目标，回归出传统的动态再结 晶动力学模型的参数&1、&2、!111、11 (1和&的值。将回归获得的模型参数值代入模型得：
[0034] 式中，Xdrx为动态再结晶分数，e为应变，T为变形温度(单位为K)，彳为应变速率(单 位为jr1)，^。为动态再结晶临界应变；e〇. 5为动态再结晶发生50%时的应变。式(3)的预测结 果与步骤3所求的实验结果比较如图6所示。由图6所示可知，模型结果与实验结果吻合较 好，说明采用本发明提出的方法是可行的。
[0035] 步骤6:在步骤5所述的传统的动态再结晶动力学模型基础上，建立改进型动态再 结晶动力学模型为：
[0036]
[0037] 为了验证改进型的动态再结晶动力学模型，特进行了变应变速率工况下的热模拟 实验。变应变速率工况下的热模拟实验方案如表2所示：变形温度为980 °C、1010 °C或1040 °C，应变速率分为两个阶段，第一阶段的应变速率均为0.1 f1，第二阶段应变速率选取 O.OOlsHj.OlsH或O.OSs'总共9组实验。实验过程中，试样首先以10°C/s速度加热至变形 温度(980°C、1010°C或1040°C )，保温300秒，以使试样温度均匀，然后进行第1阶段变形，即 以恒应变速率(0.1s'压缩试样至真应变0.35(30%)，然后迅速降低应变速率至第2阶段的 应变速率值(O.OOls'O.OlsT 1或〇.OSs'，继续以恒应变速率变形至总真应变0.92(60%)， 变形结束后立即水淬保留变形组织。采用本发明提出的方法，获得变应变速率工况热模拟 实验后试样中心区域的再结晶分数、并将其与改进型的动态再结晶动力学模型的预测结果 比较，如图7所示。由图7可知，本发明公开的方法可以较好地预测高合金化材料在非恒应变 速率条件下的动态再结晶分数。
[0038] 表2恒温变应变速率的实验方案
【主权项】
1. 一种预测时变工况下高合金化材料动态再结晶分数的方法，其特征在于该方法可以 有效地建立高合金化材料的动态再结晶动力学模型，并能预测恒温恒应变速率和非恒温恒 应变速率条件下的动态再结晶分数，其包括如下步骤： 步骤1:通过恒温恒应变速率的热压缩模拟实验，获取不同变形条件下高合金化材料的 真应力-真应变曲线和保留变形组织的热模拟试样； 步骤2:通过金相实验获取热压缩模拟变形后试样中心区域的金相照片； 步骤3:采用Photoshop软件的魔法功能统计出金相照片中再结晶区域面积占总面积的 比例，获得不同变形条件下热模拟试样中心区域的再结晶分数； 步骤4:采用有限元模拟方法获取热模拟试样中心区域的等效应变值和平均应变速率 值； 步骤5:利用获得变形条件与再结晶分数数据点集，采用最小二乘法，回归出传统的动 态再结晶动力学模型参数，所述的传统的动态再结晶动力学模型为：其中，Xdrx为动态再结晶分数，e为应变，T为变形温度(单位为K) j为应变速率(单位为s 4)，￡。为动态再结晶临界应变，为动态再结晶发生50%时的应变，ai、a2、mi、加和以为材料 参数； 步骤6:在步骤5所述的传统的动态再结晶动力学模型基础上，建立改进型动态再结晶 动力学模型为：其中，￡w为考虑变形历史的影响而引入的参数，42W)为考虑当前工艺参数的影响而引 入的参数，材料参数&、&2、!111、11(1和&的值与步骤5所述的传统的动态再结晶模型中的参数值 相同。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤5中所述的改进型动态再结晶动力学模型 为：其中，Xdrx为动态再结晶分数，e为应变，T为变形温度(单位为K) j为应变速率(单位为s <)，￡。为动态再结晶临界应变，5为动态再结晶发生50 %时的应变，ew为考虑变形历史的 影响而引入的参数，S(U)为考虑当前工艺参数的影响而引入的参数，材料参数ai、a2、mi、nd 和&的值与权利要求1中所述的步骤5所述的传统的动态再结晶动力学模型中的参数值相 同。
【文档编号】G01N33/20GK106053754SQ201610522942
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】陈明松, 蔺永诚, 李阔阔
【申请人】中南大学