CN117150788A - 航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法 - Google Patents
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Abstract
航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法，包括三个典型阶段：加热保温晶粒长大模型、热变形平均动态再结晶晶粒尺寸模型及平均晶粒尺寸模型、道次间保温平均晶粒尺寸模型的建立，道次间保温晶粒尺寸作为下一变形过程的初始晶粒尺寸。本发明全面考虑了热锻全流程中不同阶段工艺参数对晶粒演化的影响，充分考虑变形参数对热变形过程的晶粒尺寸大小及分布的影响，并耦合静态再结晶和亚动态再结晶机制影响，建立了统一的后动态再结晶晶粒尺寸模型，并以晶粒尺寸为内变量准确可靠的描述了不同阶段晶粒演化的遗传继承关系。可有效解决航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化难以准确预测及有效调控而导致零件成品率低及服役性能差的难题。
Description
技术领域
本发明属于热塑性成形技术领域，涉及到一种航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法。
技术背景
航空关键承力构件由于结构复杂、体积尺寸大，往往需要多道次成形，具体包括加热保温过程、热变形过程和道次间保温过程三个典型的过程。在加热保温过程会发生晶粒长大现象，在热变形过程涉及到动态再结晶和动态回复机制，在道次间保温过程涉及到静态回复和后动态再结晶机制(包括静态再结晶和亚动态再结晶机制)。不同阶段复杂的微观演化机制使得热成形过程不同阶段的晶粒尺寸演化规律复杂难控，此外，相邻阶段的微观组织会相互影响，使得晶粒尺寸遗传继承关系复杂。上述耦合影响导致航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化难以准确预测及有效调控。晶粒尺寸大小是航空关键承力构件成形质量检测的关键指标，直接关系到产品的成品率以及服役性能。因此，必须对航空关键承力构件晶粒演化精确建模，进而为航空关键承力构件热锻全流程晶粒演化的有效调控奠定基础。
针对上述问题，乔士宾在“SA508Gr.4N钢大锻件锻造过程组织演变与工艺优化[D],北京:钢铁研究总院,2021”中建立了SA508Gr.4N钢在加热保温、热变形以及道次间保温过程的晶粒演化模型。具体而言，针对加热保温过程，建立了考虑保温温度及保温时间影响的晶粒长大模型；针对热变形过程，建立了考虑变形温度及应变速率影响的动态再结晶晶粒尺寸模型；针对道次间保温过程，建立了考虑初始晶粒尺寸、变形温度、应变速率以及预应变影响的静态和亚动态再结晶晶粒尺寸模型。董定乾在“核电用钢SA508-3热锻全流程晶粒演变数学模型及其在封头成形中的应用[D],上海:上海交通大学,2016”针对SA508-3钢，分别建立了晶粒长大、动态再结晶、静态再结晶以及亚动态再结晶晶粒尺寸模型，此外，结合动态再结晶体积分数，利用经验公式建立了热变形过程的平均晶粒尺寸模型。黄始全在“超高强度钢整体模锻全过程微观组织演化及数字化表征[D],长沙:中南大学,2013”、汤萌在“49MnVS3非调质钢热变形过程微观组织演变的数值模拟及实验研究[D],重庆:重庆理工大学,2016”中也做了类似的研究。发明专利ZL 202210574104.8针对超高强钢热锻成形过程的晶粒长大、动态再结晶晶粒、静态再结晶晶粒以及亚动态再结晶晶粒演化，提出了一种超高强钢高温成形晶粒尺寸演化模型建立方法。
然而，当前的研究存在以下问题：①未充分考虑不同阶段晶粒尺寸的遗传继承关系；②热变形过程的平均晶粒尺寸模型采用经验公式计算，不能准确反映实际情况；③加热保温阶段的晶粒长大模型未考虑加热速度的影响；④静态及亚动态再结晶晶粒尺寸模型是相互独立的，实际上静态再结晶和亚动态再结晶对晶粒尺寸的影响难以完全解耦；⑤道次间保温过程的静态和亚动态再结晶晶粒尺寸模型未考虑保温时间的影响。上述不足严重影响航空关键承力构件热成形过程晶粒尺寸的预测精度，导致航空关键承力构件性能难以满足需求。
因此，亟需提出新的充分考虑不同参数影响以及遗传继承关系的航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸建模方法，进而实现对航空关键承力构件晶粒尺寸的精确调控。
发明内容
针对现有建模方法的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法，其目的在于充分考虑变形参数及不同阶段相互影响，建立航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸模型，进而实现对航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸的精确调控，尤其是针对变形工序多、组织难控构件的晶粒尺寸预测。
本发明所述的一种航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法，包括以下步骤：
步骤1：对制造航空关键承力构件所用材料进行不同初始晶粒尺寸、加热速度、保温温度及保温时间的加热保温实验，并用软件统计相应的平均晶粒尺寸。基于统计的晶粒尺寸，建立加热保温过程的晶粒长大模型如式(1)：
其中，Dg是加热保温过程中的晶粒尺寸，α、β、γ是材料常数，Qg是晶粒长大激活能，R是气体常数，Tg是保温温度，tg是保温时间，是加热速率。该式考虑了加热速度对晶粒长大行为的影响。
步骤1中所述的加热保温实验，可以使用加热炉或热模拟实验机等设备进行，也可以使用高温激光共聚焦扫描显微镜等原位高温设备进行，其中使用后者进行加热保温实验更加高效便捷。
步骤2：加热保温过程结束后，材料进入热变形过程，通过热模拟实验设备进行不同变形温度、应变速率、应变及初始晶粒尺寸下的热压缩实验，对实验结果进行金相腐蚀，并统计其平均动态再结晶晶粒尺寸和平均晶粒尺寸。基于统计的晶粒尺寸，建立热变形过程的平均动态再结晶晶粒尺寸模型和平均晶粒尺寸模型。其中，热变形过程的平均动态再结晶晶粒尺寸模型如式(2)：
其中，Dd是平均动态再结晶晶粒尺寸，δ、ε、ζ、η、θ是材料常数，Qd是变形激活能，是应变速率，ε是应变，Td是变形温度，εc是临界应变。临界应变利用式(3)计算：
其中，ω、ψ、χ、是材料常数。
式(2)和(3)中通过引入加热保温过程的晶粒尺寸Dg，充分考虑了加热保温过程对热变形过程中动态再结晶晶粒演化的影响，并实现晶粒尺寸由加热保温过程向热变形过程的遗传继承。
热变形过程的平均晶粒尺寸模型如式(4)：
其中，Da是热变形过程的平均晶粒尺寸，ι、κ、λ是材料常数。是Zener–Hollomon参数的修正，Zener–Hollomon参数常用于判断动态再结晶是否完全，但是该参数并未考虑应变的影响，本发明将应变的影响引入Zener–Hollomon参数。Zmc是Zm的临界值，当Zm大于Zmc，即动态再结晶不完全，此时材料内部由拉长晶和动态再结晶晶粒组成；反之，则材料内部动态再结晶完全，此时材料内部的晶粒全部由动态再结晶晶粒组成。相比于传统基于动态再结晶体积分数计算而来的平均晶粒尺寸，本发明所提出的方法基于实际微观组织统计而来，具有更高的精度及可靠性。
步骤2中所述的热模拟实验，可以是热压缩实验，也可以是热拉伸实验或者热扭转实验，根据构件实际热变形过程实际受力状态而确定。此外，热模拟实验的试样尺寸及形状也应根据实际成形工艺而定。
步骤3：当变形过程结束，材料会进入道次间保温过程，道次间保温过程材料会发生静态再结晶、亚动态再结晶或两者同时发生，道次间保温过程的平均晶粒尺寸模型(也称为后动态再结晶晶粒尺寸)通过式(5)计算：
其中，Ds是静态保温过程的平均晶粒尺寸，v、ξ、ρ、φ为材料常数，εr为卸载应变，Qs为后动态再结晶激活能，Ts道次间保温温度，ts道次间保温时间。该式充分考虑了道次间保温过程静态回复、静态再结晶以及亚动态再结晶对晶粒尺寸的影响。相比于传统道次间保温过程的晶粒尺寸模型，本发明考虑了变形过程晶粒尺寸演化对道次间保温过程晶粒尺寸的影响，进而实现了晶粒尺寸由热变形过程向道次间保温过程的遗传继承。此外，新提出的道次间保温过程的晶粒尺寸模型考虑了道次间的保温时间的影响，进而能够有效描述道次间保温过程晶粒尺寸的演化过程。
步骤3中所述的道次间保温过程晶粒演化的研究，可以利用热模拟实验机等设备进行，也可以利用高温激光共聚焦扫描显微镜等原位设备进行。
当上述加热保温过程、热变形过程以及道次间保温过程三个典型阶段完成，道次间保温的平均晶粒尺寸作为下一变形过程的初始晶粒尺寸，即步骤2中平均动态再结晶晶粒尺寸和平均晶粒尺寸模型的初始晶粒尺寸。随着变形的继续，晶粒尺寸计算方法重复步骤2和步骤3。上述发明的建模方法充分考虑不同阶段晶粒尺寸的遗传继承关系以及不同参数对热变形过程的晶粒尺寸大小及分布的影响。上述模型中的材料常数通过多元非线性回归即可求得。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明充分考虑了不同条件对加热保温、热变形以及道次间保温过程晶粒演化的影响，使得所建立的模型能够准确描述不同工况下的晶粒尺寸演化。
(2)本发明充分考虑了多道次或多火次变形过程晶粒演化的遗传继承关系，使得所建模型能够准确描述不同阶段变形参数及晶粒尺寸的相互影响关系。
(3)本发明提出了修正的Zener–Hollomon参数，利用修正的Zener–Hollomon参数的临界值结合临界应变能够准确判断不同变形温度、应变速率以及应变下的动态再结晶开始和结束标志，进而构建了更加准确的平均动态再结晶晶粒尺寸模型和平均晶粒尺寸模型。
(4)本发明提出了新的热变形过程的平均晶粒尺寸模型，相比于传统的经验公式计算方法，本发明提出的模型基于微观统计结果而建立，能够更加准确的描述热变形参数对平均晶粒尺寸的影响规律。
(5)本发明建立了统一的道次间保温过程的平均晶粒尺寸模型，耦合了静态再结晶机制及亚动态再结晶机制的影响，有效避免了传统分别建立静态及亚动态再结晶晶粒尺寸模型时未考虑两种再结晶机制耦合影响而造成模型不准确的问题。
附图说明
图1为本发明建模过程示意图。
图2为加热保温过程不同加热速度下的平均晶粒尺寸。
图3为加热保温过程不同保温温度下的平均晶粒尺寸。
图4为加热保温过程平均晶粒尺寸的预测值与实验值对比。
图5为热变形过程临界应变的预测值与实验值对比。
图6为热变形过程不同变形参数下的平均动态再结晶晶粒尺寸。
图7为热变形过程不同变形参数下的平均晶粒尺寸。
图8为热变形过程平均动态再结晶晶粒尺寸的预测值与实验值对比。
图9为热变形过程平均晶粒尺寸的预测值与实验值对比。
图10为道次间保温过程不同保温温度下的平均后动态再结晶晶粒尺寸。
图11为道次间保温过程不同预应变下的平均后动态再结晶晶粒尺寸。
图12为道次间保温过程不同应变速率下的平均后动态再结晶晶粒尺寸。
图13为道次间保温过程平均后动态再结晶晶粒尺寸的预测值与实验值对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以飞机起落架用300M高强钢多道次热锻成形为例，本发明的热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法主要包括如下步骤：
步骤1：利用高温激光共聚焦扫描显微镜进行加热保温实验，其中加热速度范围为2～15K/s，保温温度范围为1173～1473K，保温时间为600s，试样尺寸为直径8mm，高度3mm。首先将试样放入高温激光共聚焦扫描显微镜，然后对设备进行抽真空处理，抽三次真空，进而保障在加热保温过程试样不被氧化。随后按照设定的加热速度对试样进行加热，当加热至设定温度时开始保温过程，当保温时间达到600s后，立即用氩气对试样进行淬火处理。在加热保温过程，设备会实时自动记录试样微观组织的变化。在实验结束，利用Image ProPlus软件对不同加热保温参数下的试样进行晶粒尺寸统计，结果如图2和图3所示。根据不同加热保温参数下统计的平均晶粒尺寸，利用多元非线性回归分析即可获得公式(1)中的各材料常数值，计算的结果如表1所示。将公式(1)的计算结果与加热保温实验统计的平均晶粒尺寸对比如图4所示，可以看到两者的相关性系数为0.99963，表明所建立的加热保温过程晶粒演化模型能够准确描述加热速率、保温温度及保温时间对晶粒演化的影响。
表1公式(1)中的各材料常数值
| α | β | γ | Qg |
| 28767.5 | 0.349 | -0.033 | 92895.4 |
步骤2：利用Gleeble3500热模拟设备进行不同奥氏体化温度、应变速率、变形温度及应变下的热压缩实验，其中奥氏体化温度范围1173～1473K，应变速率范围0.01～10s-1，变形温度范围1173～1473K，应变范围0～1.2。热压缩试样的直径为8mm，高度为12mm。首先在试样中心部位焊接电阻丝进行温度控制，在试样两端放置石墨片和钽片进而减小试样与砧头之间的摩擦，同时起到隔热的作用。随后将试样置于Gleeble3500热模拟设备中，并对设备进行抽真空处理，以免在变形过程中试样被氧化。上述准备工作完成，以5K/s的加热速度将试样加热至设定的奥氏体化温度，然后保温240s，实现试样内部温度的均匀化。随后将试样温度以5K/s的降温速度降至设定的变形温度，保温60s，进而消除降温过程试样内部可能产生的温度梯度。最后在设定的变形温度及应变速率下进行热压缩实验，当热压缩试样的变形量达到设定值，设备自动对试样进行淬火，以保留高温组织。
根据实验获得的应力应变曲线，利用应力对应变求导计算得不同变形参数下材料的临界应变如表2所示，根据不同变形参数下的临界应变，利用多元非线性回归分析可求得式(3)中的各参数值如表3所示。图5为临界应变的计算值与实验值对比，两者相关系系数为0.99591，表明所建立的临界应变模型可靠。
随后对变形完的试样进行金相腐蚀，并利用Image Pro Plus软件统计分析不同变形参数下的平均动态再结晶晶粒尺寸和平均晶粒尺寸如图6和图7所示。根据不同变形参数下的平均晶粒尺寸及平均动态再结晶晶粒尺寸统计值，通过多元非线性回归分析可计算得公式(2)和(4)中的材料常数，计算结果如表4和表5所示。图8为平均动态再结晶晶粒尺寸的实验值与预测值对比，可以看到两者相关性系数为0.97664。图9为平均晶粒尺寸的实验值与预测值对比，两者相关性系数为0.97807。上述结果表明，所建立的模型能够准确描述不同变形参数下的平均动态再结晶及平均晶粒尺寸变化。
表2不同变形参数下的临界应变
| 奥氏体化温度/K | 变形温度/K | 应变速率/s-1 | 临界应变 |
| 1473 | 1173 | 0.01 | 0.221 |
| 1473 | 1273 | 0.01 | 0.144 |
| 1473 | 1373 | 0.01 | 0.101 |
| 1473 | 1473 | 0.01 | 0.073 |
| 1473 | 1173 | 0.1 | 0.25 |
| 1473 | 1273 | 0.1 | 0.185 |
| 1473 | 1373 | 0.1 | 0.141 |
| 1473 | 1473 | 0.1 | 0.108 |
| 1473 | 1173 | 1 | 0.292 |
| 1473 | 1273 | 1 | 0.245 |
| 1473 | 1373 | 1 | 0.209 |
| 1473 | 1473 | 1 | 0.182 |
| 1473 | 1173 | 10 | 0.326 |
| 1473 | 1273 | 10 | 0.29 |
| 1473 | 1373 | 10 | 0.262 |
| 1473 | 1473 | 10 | 0.248 |
| 1173 | 1273 | 0.01 | 0.093 |
| 1273 | 1273 | 0.01 | 0.108 |
| 1373 | 1273 | 0.01 | 0.123 |
表3公式(3)中的各材料常数值
表4公式(2)中的各材料常数值
| lnδ | ∈ | ζ | η | θ |
| 11.44 | -0.196 | -0.131 | 0.622 | -0.238 |
表5公式(4)中的各材料常数值
步骤3：将步骤2中变形完的试样沿试样中心部位切割，由于试样中心区域变形均匀，将试样的中心面作为观察表面，制成直径5mm、高度1mm的小圆柱，在高温激光共聚焦扫描显微镜进行道次间保温过程研究。高温激光共聚焦的操作步骤与步骤1相同，区别在于，在道次间保温过程以设备的最快加热速度16.6K/s的加热速度进行加热。其中保温温度范围1173～1473K，保温时间600s。当保温时间达到设定值后，设备会自动对试样进行淬火处理。对不同道次间保温参数下的微观组织进行统计分析，获得的平均后动态再结晶晶粒尺寸如图10～12所示。根据统计的不同道次间保温参数下的平均后动态再结晶晶粒尺寸，利用多元非线性回归分析可以计算出式(5)中的各参数值如表6所示。图13是平均后动态再结晶晶粒尺寸的实验值和预测值对比，看到两者相关性系数为0.97241，表明所建立模型可靠。
表6公式(5)中的各材料常数值
至此，300M高强钢多道次变形过程中三个典型阶段的晶粒尺寸模型建立完成，道次间保温过程的晶粒尺寸将作为下一变形过程的初始晶粒尺寸，依次循环即可准确预测300M高强钢多道次变形过程的晶粒尺寸演化。进一步利用有限元模拟软件进行二次开发，即可准确模拟300M高强钢多道次变形过程的晶粒尺寸演化。通过上述预测值和实验值的相关性系数可知，根据本发明方法所建立的模型精度高，能够全面准确的描述不同参数对晶粒演化的影响，也可以很好的描述晶粒尺寸的遗传继承关系。
Claims (4)
1.一种航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1：对制造航空关键承力构件所用材料进行不同初始晶粒尺寸、加热速度、保温温度及保温时间的加热保温实验，并统计相应的平均晶粒尺寸；基于统计的晶粒尺寸，建立加热保温过程的晶粒长大模型如式(1)：
其中，Dg是加热保温过程中的晶粒尺寸，α、β、γ是材料常数，Qg是晶粒长大激活能，R是气体常数，Tg是保温温度，tg是保温时间，是加热速率；
步骤2：加热保温过程结束后，材料进入热变形过程，通过热模拟实验设备进行不同变形温度、应变速率、应变及初始晶粒尺寸下的热压缩实验，对实验结果进行金相腐蚀，并统计其平均动态再结晶晶粒尺寸和平均晶粒尺寸；基于统计的晶粒尺寸，建立热变形过程的平均动态再结晶晶粒尺寸模型和平均晶粒尺寸模型；其中，热变形过程的平均动态再结晶晶粒尺寸模型如式(2)：
其中，Dd是平均动态再结晶晶粒尺寸，δ、∈、ζ、η、θ是材料常数，Qd是变形激活能，是应变速率，ε是应变，Td是变形温度，εc是临界应变；临界应变利用式(3)计算：
其中，ω、ψ、χ、是材料常数；
热变形过程的平均晶粒尺寸模型如式(4)：
其中，Da是热变形过程的平均晶粒尺寸，ι、κ、λ是材料常数；是Zener–Hollomon参数的修正；Zmc是Zm的临界值，当Zm大于Zmc，即动态再结晶不完全，此时材料内部由拉长晶和动态再结晶晶粒组成；反之，则材料内部动态再结晶完全，此时材料内部的晶粒全部由动态再结晶晶粒组成；
步骤3：当变形过程结束，材料进入道次间保温过程，道次间保温过程材料发生静态再结晶、亚动态再结晶或两者同时发生，道次间保温过程的平均晶粒尺寸模型通过式(5)计算：
其中，Ds是静态保温过程的平均晶粒尺寸，v、ξ、ρ、φ为材料常数，εr为预应变，Qs为后动态再结晶激活能，Ts道次间保温温度，ts道次间保温时间；
当上述加热保温过程、热变形过程以及道次间保温过程三个典型阶段完成，道次间保温的平均晶粒尺寸作为下一变形过程的初始晶粒尺寸，晶粒尺寸模型的建立方法重复步骤2和步骤3；上述模型中的材料常数通过多元非线性回归即可求得。
2.根据权利要求1所述的一种航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法，其特征是步骤1中所述的加热保温实验，使用加热炉或热模拟实验机进行，或者使用高温激光共聚焦扫描显微镜原位高温设备进行。
3.根据权利要求1所述的一种航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法，其特征是步骤2中所述的热模拟实验，为热压缩实验、热拉伸实验或者热扭转实验，根据构件实际热变形过程实际受力状态而确定；热模拟实验的试样尺寸及形状根据实际成形工艺而定。
4.根据权利要求1所述的一种航空关键承力构件热锻全流程晶粒尺寸演化精确建模方法，其特征是步骤3中所述的道次间保温过程晶粒演化的实验，利用热模拟实验机或者高温激光共聚焦扫描显微镜原位设备进行。
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