CN112507567B - 一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法 - Google Patents

一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法，包括将多幅失稳图进行叠加，以将多个失稳区进行叠加，并线性拟合叠加后的失稳区下边界形成失稳判断函数f(x,y)，其中x为失稳图的横坐标，y为失稳图的纵坐标，若f(x,y)＞0，则x、y对应温度和应变速率条件下出现失稳；通过编程将失稳判断函数f(x,y)写入数值模拟软件中，并在模拟钛合金锻件热锻时，调用失稳判断函数f(x,y)计算钛合金锻件是否出现失稳现象。本方法能够实现对锻造过程中钛合金微观组织失稳缺陷的有效预测，用于指导锻件的锻造成型。

Description

一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法
技术领域
本发明属于钛合金锻造技术领域，尤其涉及一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法。
背景技术
钛合金具有优良的综合力学性能，广泛地应用于航空航天等领域。为了获得所需的宏观结构形状尺寸和优良的微观组织状态，热锻是钛合金重要的成型工艺，热锻过程中，受变形工艺参数和模具结构的影响，钛合金易产生微观裂纹、绝热剪切带等微观失稳缺陷，对锻件的力学性能影响极大。因此，预测热锻过程中的微观失稳缺陷对提高锻件组织稳定性和力学性能具有重要的意义。现有的研究主要集中在构建钛合金失稳缺陷预测的理论模型，并未能将理论模型有效的应用于实际中用于对锻件进行具体预测，无法解决具体工程实际应用问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法，能够实现对锻造过程中钛合金微观组织失稳缺陷的有效预测，用于指导锻件的锻造成型。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将钛合金锻件制成试样，在热模拟试验机上对其进行不同温度T、应变速率
Figure GDA0003683715960000012
和应变条件下的热压缩试验，获取高温流动应力σ数据，其中温度范围T为700-1100℃，应变速率
Figure GDA0003683715960000013
范围为0.01s-1-10s-1，应变范围为0-0.91；
步骤(2)、基于公式(1)求解钛合金的应变速率敏感指数m，基于公式(2)求解功率耗散效率η，基于公式(3)求解失稳判据ξ，其中所述公式(1)、(2)、(3)分别为：
Figure GDA0003683715960000011
Figure GDA0003683715960000021
ξ＝2m-η (3)
式中，α2、α3、α4为材料常数，通过三次多项式函数拟合求得；
步骤(3)、以温度T为横坐标、应变速率
Figure GDA0003683715960000024
的对数为纵坐标绘制多幅失稳图，每幅失稳图对应一个应变条件，在每幅失稳图上以温度和应变速率所对应的点作为失稳判据ξ，通过步骤(2)计算每个温度、应变速率所对应的失稳判据ξ值，若ξ小于0，则该温度、应变速率及应变条件下试样失稳，将所有ξ小于0的点连起来形成失稳区；
步骤(4)、将步骤(3)中多幅失稳图进行叠加，以将多个失稳区进行叠加，并线性拟合叠加后的失稳区下边界形成失稳判断函数f(x,y)，其中x为失稳图的横坐标，y为失稳图的纵坐标，若f(x,y)＞0，则x、y对应温度和应变速率条件下出现失稳；
步骤(5)、通过编程将失稳判断函数f(x,y)写入数值软件中，并在模拟钛合金锻件热锻时，调用失稳判断函数f(x,y)计算钛合金锻件是否出现失稳现象。
作为优化，在步骤(4)中拟合叠加后的失稳区下边界形成失稳判断函数f(x,y)时，在失稳区下边界上选取两个点，使失稳区全部位于该两点连线上方；该两点确定的直线函数中与横坐标夹角最小的一条即为失稳判断函数f(x,y)，分别记为(x1，y1)、(x2，y2)，设y1＝ax1+b，y2＝ax2+b，求解得出a＝(y1-y2)/(x1-x2)，b＝y1-(y1-y2)x1/(x1-x2)，可得
Figure GDA0003683715960000022
所以可得
Figure GDA0003683715960000023
其中x1≠x2，y1≠y2。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过研究失稳图，将多个应变条件下的失稳图进行叠加，相应的失稳区同步进行了叠加，然后通过线性拟合叠加后的失稳区的下边界构建失稳判断函数，失稳判断函数值大于0的地方位于失稳区内，表示该温度、应变速率条件下钛合金出现失稳现象，并将该失稳判断函数进行编程二次开发，在数值模拟软件中模拟锻件热锻时，调用该失稳判断函数进行计算，有效预测出锻件上哪些区域出现失稳现象，失稳缺陷出现时的温度和应变速率等条件，并在模拟软件中可视化表现出来，可用于指导锻件的锻造成型。
附图说明
图1是本发明叠加后的失稳图；
图2是本发明在0.3应变条件下的失稳图；
图3是本发明在0.6应变条件下的失稳图；
图4是本发明在0.9应变条件下的失稳图；
图5是本发明实施例中锻件的失稳预测图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时：参见图1至图4，一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将钛合金锻件制成试样，在热模拟试验机上对其进行不同温度T、应变速率
Figure GDA0003683715960000034
和应变条件下的热压缩试验，获取高温流动应力σ数据，其中温度范围T为700-1100℃，应变速率
Figure GDA0003683715960000033
范围为0.01s-1-10s-1，应变范围为0-0.91；
步骤(2)、基于公式(1)求解钛合金的应变速率敏感指数m，基于公式(2)求解功率耗散效率η，基于公式(3)求解失稳判据ξ，其中所述公式(1)、(2)、(3)分别为：
Figure GDA0003683715960000031
Figure GDA0003683715960000032
ξ＝2m-η (3)
式中，α2、α3、α4为材料常数，流动应力的对数和应变速率的对数通过热压缩试验已知，在不同应变条件下得到两者的对应关系，通过如origin软件对其进行三次多项式函数拟合即可求解相关参数值；
步骤(3)、以温度T为横坐标、应变速率
Figure GDA0003683715960000035
的对数为纵坐标绘制多幅失稳图，每幅失稳图对应一个应变条件，在每幅失稳图上以温度和应变速率所对应的点作为失稳判据ξ，通过步骤(2)计算每个温度、应变速率所对应的失稳判据ξ值，若ξ小于0，则该温度、应变速率及应变条件下试样失稳，将所有ξ小于0的点连起来形成失稳区；
步骤(4)、将步骤(3)中多幅失稳图进行叠加，以将多个失稳区进行叠加，并线性拟合叠加后的失稳区下边界形成失稳判断函数f(x,y)，其中x为失稳图的横坐标，y为失稳图的纵坐标，若f(x,y)＞0，则x、y对应温度和应变速率条件下出现失稳；
步骤(5)、通过编程将失稳判断函数f(x,y)写入数值软件中，并在模拟钛合金锻件热锻时，调用失稳判断函数f(x,y)计算钛合金锻件是否出现失稳现象。
实施时，在步骤(4)中拟合叠加后的失稳区下边界形成失稳判断函数f(x,y)时，在失稳区下边界上选取两个点，使失稳区全部位于该两点连线上方；该两点确定的直线函数中与横坐标夹角最小的一条即为失稳判断函数f(x,y)，分别记为(x1，y1)、(x2，y2)，设y1＝ax1+b，y2＝ax2+b，求解得出a＝(y1-y2)/(x1-x2)，b＝y1-(y1-y2)x1/(x1-x2)，可得
Figure GDA0003683715960000041
所以可得
Figure GDA0003683715960000042
其中x1≠x2，y1≠y2。
实施时，为节省资源，应变条件选0.3、0.6和0.9进行试验，将此应变条件下的失稳图进行叠加，对叠加后的失稳区下边界进行线性拟合，本申请在失稳区下边界上选取两个点，使失稳区全部位于该两点连线上方，该两点确定的直线函数中与横坐标夹角最小的一条即为失稳判断函数1，是因为两个点即可确定一条直线，可以最为便捷的拟合出下边界，选取夹角最小的一条直线，可以尽可能的降低误差，若需要完美的拟合出下边界，则拟合函数非常复杂，计算过程十分冗长，不宜操作。而当失稳判断函数确定后，通过Fortran语言将其进行编程二次开发，写入DEFORM数值模拟软件中以供调用，对某钛合金锻件进行数值模拟时，需先用三维建模软件如catia对锻件进行建模并导入模拟软件中，在模拟前输入开锻温度和成型速度，模拟时，锻件上每个节点的温度变化和应变速率变化都可以通过模拟软件计算出来，此时，再调用失稳判断函数对每个节点进行计算，就可算出锻件上哪些区域出现失稳现象，失稳缺陷出现时的温度和应变速率等条件，并在模拟软件中可视化表现出来，从而预测出锻件失稳缺陷，为锻件的锻造成型提供指导，参见图5，乃是某航空锻件采用本方法进行预测最后在DEFORM软件中可视化显示出来的图像，图中值等于-1的点即为失稳区域。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以在不脱离本发明的原理和基础的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附加权利要求及其等同物限定，因此本发明的实施例只是针对本发明的一个说明示例，无论从哪一点来看本发明的实施例都不构成对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、将钛合金锻件制成试样，在热模拟试验机上对其进行不同温度T、应变速率
Figure FDA0003683715950000013
和应变条件下的热压缩试验，获取高温流动应力σ数据，其中温度范围T为700-1100℃，应变速率
Figure FDA0003683715950000014
的范围为0.01s-1-10s-1，应变范围为0-0.91；
步骤(2)、基于公式(1)求解钛合金的应变速率敏感指数m，基于公式(2)求解功率耗散效率η，基于公式(3)求解失稳判据ξ，其中所述公式(1)、(2)、(3)分别为：
Figure FDA0003683715950000011
Figure FDA0003683715950000012
ξ＝2m-η (3)
式中，α2、α3、α4为材料常数，通过三次多项式函数拟合求得；
步骤(3)、以温度T为横坐标、应变速率
Figure FDA0003683715950000015
的对数为纵坐标绘制多幅失稳图，每幅失稳图对应一个应变条件，在每幅失稳图上以温度和应变速率所对应的点作为失稳判据ξ，通过步骤(2)计算每个温度、应变速率所对应的失稳判据ξ值，若ξ小于0，则该温度、应变速率及应变条件下试样失稳，将所有ξ小于0的点连起来形成失稳区；
步骤(4)、将步骤(3)中多幅失稳图进行叠加，以将多个失稳区进行叠加，并线性拟合叠加后的失稳区下边界形成失稳判断函数f(x,y)，其中x为失稳图的横坐标，y为失稳图的纵坐标，若f(x,y)＞0，则x、y对应温度和应变速率条件下出现失稳；
步骤(5)、通过编程将失稳判断函数f(x,y)写入数值软件中，并在模拟钛合金锻件热锻时，调用失稳判断函数f(x,y)计算钛合金锻件是否出现失稳现象。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金锻件锻造微观组织失稳缺陷预测方法，其特征在于：在步骤(4)中拟合叠加后的失稳区下边界形成失稳判断函数f(x,y)时，在失稳区下边界上选取两个点，使失稳区全部位于该两点连线上方；该两点确定的直线函数中与横坐标夹角最小的一条即为失稳判断函数f(x,y)，分别记为(x1，y1)和(x2，y2)，设y1＝ax1+b，y2＝ax2+b，求解得出a＝(y1-y2)/(x1-x2)，b＝y1-(y1-y2)x1/(x1-x2)，可得
Figure FDA0003683715950000021
所以可得
Figure FDA0003683715950000022
其中x1≠x2，y1≠y2。
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