一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法技术

本发明专利技术公开了一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法，其方法的步骤包括：(1)通过高温压缩实验，获得镍基合金的真应力-真应变数据；(2)建立预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的统一本构模型；(3)利用数值差分原理，编写迭代累加算法程序，嵌入数值模拟软件，结合镍基合金的真应力-真应变数据，确定预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的统一本构模型的材料参数；(4)预测恒温恒应变速率和变温变应变速率条件下的镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为。本发明专利技术方法可快速地准确预测恒温恒应变速率和变温变应变速率条件下镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为，对合理制定镍基合金热加工工艺有重要的技术指导意义。

【技术实现步骤摘要】
一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法
：本专利技术属于镍基合金加工工程
，特别涉及一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法。
技术介绍
：在镍基合金热加工过程中，镍基合金的热变形过程通常可以分为弹性变形和塑性变形两个阶段。镍基合金的弹性变形阶段通常可以通过胡克定律准确描述。当外加载荷超过了镍基合金的屈服应力，在宏观尺度上表现为镍基合金的塑性变形开始发生，在微观尺度上表现为镍基合金内部的位错运动过程。由于位错的产生和增殖导致的加工硬化行为，进一步促进了镍基合金真应力的增加；随着变形程度的增加，空位逐步扩散，位错滑移和攀移引起的位错相消和位错重排的动态回复过程开始发生，镍基合金真应力增长速度变慢。镍基合金作为典型低层错能金属，位错攀移和交滑移等动态回复机制发生缓慢，难以与加工硬化达到平衡，随着应变的增加，位错密度逐渐上升，当达到发生动态再结晶的临界位错密度时，动态再结晶开始发生，位错湮灭速率显著上升，流变软化现象明显，最终位错湮灭速率与增殖速率达到平衡，镍基合金的真应力达到稳态。研究表明镍基合金的热变形行为极为复杂，显著受到变形温度，应变速率和应变等宏观热变形条件的综合影响，又受到加工硬化，动态回复和动态再结晶等微观变形机制的影响。众多学者开展了大量实验和理论研究工作，专利技术了多种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法。其中，Arrhenius模型、Cingara模型及相关修正模型能够准确预测恒温恒应变速率等理想热变形状态下的镍基合金高温流变应力，Avrami模型，Laasraoui-Jonas模型及相关修正模型能够准确预测恒温恒应变速率等理想热变形状态下的镍基合金动态再结晶行为，但都难以推广应用到具有时变变形特征(如，变温变应变速率)的工业实际热加工过程。然而国内外尚无见到过基于镍基合金热变形物理机理，提出能够预测时变变形条件下镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法。因此，本专利技术从镍基合金热变形物理机理出发，专利技术了一种可快速地准确预测恒温恒应变速率和变温变应变速率条件下镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法，以解决现有预测方法应用范围狭窄，难以工程推广的弊端。该方法的专利技术和推广应用对合理制定镍基合金热加工工艺有重要的技术指导意义。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法，解决了现有预测方法应用范围狭窄，难以实现工程应用的弊端，对合理制定镍基合金热加工工艺有重要的技术指导意义。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法。该方法的具体步骤为：步骤1：在变形温度为900℃～1100℃和应变速率为0.0005s-1～10s-1的热变形条件下，对初始晶粒尺寸为20μm～90μm的镍基合金进行高温压缩实验，获得镍基合金的真应力-真应变数据；步骤2：建立预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的统一本构模型：σ＝σy+σi+σg(1)其中σ为高温流变应力，σy为屈服应力，σi为位错密度引起的应力，σg为晶粒尺寸演化引起的应力；建立镍基合金的屈服应力σy与变温温度T、应变速率初始晶粒尺寸d0之间的函数关系：其中Ay、my、ny和Qy均为材料参数，R为普适气体常数，为应变速率，T为变形温度，d0为初始晶粒尺寸；根据高温压缩实验的变形条件和镍基合金的真应力-真应变数据，绘制镍基合金的屈服应力σy和变温温度T、应变速率初始晶粒尺寸d0之间的关系图，即lnσy-1/T和lnσy-lnd0关系图，并通过线性拟合的方法确定材料参数Ay、my、ny和Qy的具体数值；建立镍基合金的位错密度与其引起的应力σi的函数关系：其中ρi为位错密度，为位错密度演化速率，M为泰勒系数，α为位错交互作用常数，μ为材料剪切模量，b为柏氏矢量；位错增殖速度fw为加工硬化系数，动态回复导致的位错湮灭速度fv为动态回复系数，动态再结晶导致的位错湮灭速度σi-i(cr)为当前应变减去临界应变状态下的位错密度，fx为动态再结晶系数，Xi为动态再结晶份数，当变形大于动态再结晶临界应变εc时，ε0.5为当动态再结晶份数Xi达到0.5时的应变，fd为动态再结晶动力学指数，Aw、Av、Ax、Ad、mw、mv、mx、md、nw、nv、nx、nd、Qw、Qv、Qx和Qd均为材料参数，ρcr为动态再结晶临界位错密度，s为晶界能，s＝μbθm/4π(1-v)，θm为晶界取向角，v为泊松比，L为位错自由程，L＝kdb(μ/σy)m，kd和m为材料常数，λ为位错线能量，λ＝cμb2，c为材料常数，Mbm为晶界可动性，Mbm＝vδDobexp(-Qdrf/RT)/kbT，δ为特征晶界厚度，Dob为晶界自扩散系数，kb为波尔茨曼常量，Qdrf晶界扩散激活能；建立镍基合金的晶粒尺寸与其演化引起的应力σg之间的函数关系：其中fg为晶粒尺寸演化系数，di为平均晶粒尺寸，ddrx为动态再结晶晶粒尺寸，Ag、Ar、mg、mr、ng、nr、Qg和Qr均为材料参数；根据高温压缩实验的变形条件和高温压缩实验后镍基合金的金相实验统计数据，绘制镍基合金的动态再结晶晶粒尺寸ddrx和变温温度T、应变速率初始晶粒尺寸d0之间的关系图，即lnddrx-lnlnddrx-1/T和lnddrx-lnd0关系图，并通过线性拟合的方法确定材料参数Ar、mr、nr和Qr的具体数值；步骤3：利用数值差分原理，编写迭代累加算法程序，嵌入数值模拟软件，结合镍基合金的真应力-真应变数据，确定预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的统一本构模型的材料参数；利用数值差分原理，将与任意小应变增量Δε引起的位错密度增量Δρi表示为将与任意小应变增量Δε引起的位错密度演化引起的应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法，其特征在于：充分考虑了实时变形条件对镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的影响，基于位错密度理论和动态再结晶动力学，提出了一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的统一本构模型，可快速地准确预测恒温恒应变速率和变温变应变速率条件下镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为，该方法包括以下步骤：步骤1：在变形温度为900℃～1100℃和应变速率为0.0005s‑1～10s‑1的热变形条件下，对初始晶粒尺寸为20μm～90μm的镍基合金进行高温压缩实验，获得镍基合金的真应力‑真应变数据；步骤2：建立预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的统一本构模型：σ＝σy+σi+σg   (1)其中σ为高温流变应力，σy为屈服应力，σi为位错密度引起的应力，σg为晶粒尺寸演化引起的应力：建立镍基合金的屈服应力σy与变温温度T、应变速率初始晶粒尺寸d0之间的函数关系：σy=Ayd0my(ϵ·exp(Qy/RT))ny---(2)]]>其中Ay、my、ny和Qy均为材料参数，R为普适气体常数，为应变速率，T为变形温度，d0为初始晶粒尺寸；根据高温压缩实验的变形条件和镍基合金的真应力‑真应变数据，绘制镍基合金的屈服应力σy和变温温度T、应变速率初始晶粒尺寸d0之间的关系图，即lnσy‑1/T和lnσy‑ln d0关系图，并通过线性拟合的方法确定材料参数Ay、my、ny和Qy的具体数值；建立镍基合金的位错密度与其引起的应力σi的函数关系：σi=Mαμbρiρ·i=ρ·i+-ρ·i(drv)-(ρi<ρcr)ρ·i=ρ·i+-ρ·i(drv)--ρ·i(drx)-(ρi≥ρcr)---(3)]]>其中ρi为位错密度，为位错密度演化速率，M为泰勒系数，α为位错交互作用常数，μ为材料剪切模量，b为柏氏矢量；位错增殖速度ρ·i+=M(ρi/fw+1/d0)ϵ·/b,]]>fw为加工硬化系数，fw=Awd0mw(ϵ·exp(Qw/RT))nw;]]>动态回复导致的位错湮灭速度fv为动态回复系数，动态再结晶导致的位错湮灭速度ρi‑i(cr)为当前应变减去临界应变状态下的位错密度，fx为动态再结晶系数，Xi为动态再结晶份数，当变形大于动态再结晶临界应变εc时，ε0.5为当动态再结晶份数Xi达到0.5时的应变，fd为动态再结晶动力学指数，Aw、Av、Ax、Ad、mw、mv、mx、md、nw、nv、nx、nd、Qw、Qv、Qx和Qd均为材料参数，ρcr为动态再结晶临界位错密度，s为晶界能，s＝μbθm/4π(1‑ν)，θm为晶界取向角，v为泊松比，L为位错自由程，L＝kdb(μ/σy)m，kd和m为材料常数，λ为位错线能量，λ＝cμb2，c为材料常数，Mbm为晶界可动性，Mbm＝bδDob exp(‑Qdif/RT)/kbT，δ为特征晶界厚度，Dob为晶界自扩散系数，kb为波尔茨曼常量，Qdif晶界扩散激活能；建立镍基合金的晶粒尺寸与其演化引起的应力σg之间的函数关系：σg=-Xifgdi-1/2di=Xiddrx+(1-Xi)d0fg=Agd0mg(ϵ·exp(Qg/RT))ngddrx=Ard0mr(ϵ·exp(Qr/RT))nr---(4)]]>其中fg为晶粒尺寸演化系数，di为平均晶粒尺寸，ddrx为动态再结晶晶粒尺寸，Ag、Ar、mg、mr、ng、nr、Qg和Qr均为材料参数；根据高温压缩实验的变形条件和高温压缩实验后镍基合金的金相实验统计数据，绘制镍基合金的动态再结晶晶粒尺寸ddrx和变温温度T、应变速率初始晶粒尺寸d0之间的关系图，即ln ddrx‑1/T和ln ddrx‑ln d0关系图，并通过线性拟合的方法确定材料参数Ar、mr、nr和Qr的具体数值；步骤3：利用数值差分原理，编写迭代累加算法程序，嵌入数值模拟软件，结合镍基合金的真应力‑真应变数据，确定预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的统一本构模型的材料参数；利用数值差分原理，将与任意小应变增量Δε引起的位错密度增量Δρi表示为Δρi=(M(ρi/kw+1/d0)/b-fvρi)Δ&e...

【技术特征摘要】
1.一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的方法，其特征在于：充分考虑了实时变形条件对镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的影响，基于位错密度理论和动态再结晶动力学，提出了一种预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的统一本构模型，可快速地准确预测恒温恒应变速率和变温变应变速率条件下镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为，该方法包括以下步骤：步骤1：在变形温度为900℃～1100℃和应变速率为0.0005s-1～10s-1的热变形条件下，对初始晶粒尺寸为20μm～90μm的镍基合金进行高温压缩实验，获得镍基合金的真应力-真应变数据；步骤2：建立预测镍基合金高温流变应力和动态再结晶行为的统一本构模型：其中为高温流变应力，为屈服应力，为位错密度引起的应力，为晶粒尺寸演化引起的应力；建立镍基合金的屈服应力与变温温度T、应变速率初始晶粒尺寸d0之间的函数关系：其中Ay、my、ny和Qy均为材料参数，R为普适气体常数，为应变速率，T为变形温度，d0为初始晶粒尺寸；根据高温压缩实验的变形条件和镍基合金的真应力-真应变数据，绘制镍基合金的屈服应力和变温温度T、应变速率初始晶粒尺寸d0之间的关系图，即和关系图，并通过线性拟合的方法确定材料参数Ay、my、ny和Qy的具体数值；建立镍基合金的位错密度与其引起的应力的函数关系：其中ρi为位错密度，为位错密度演化速率，M为泰勒系数，为位错交互作用常数，μ为材料剪切模量，b为柏氏矢量；位错增殖速度fw为加工硬化系数，动态回复导致的位错湮灭速度fv为动态回复系数，动态再结晶导致的位错湮灭速度ρi-i(cr)为当前应变减去临界应变状态下的位错密度，fx为动态再结晶系数，，Xi为动态再结晶份数，当变形大于动态再结晶临界应变时，，为当动态再结晶份数Xi达到0.5时的应变，fd为动态再结晶动力学指数，Aw、Av、Ax、Ad、mw、mv、mx、md、nw、nv、nx、nd、Qw、Qv、Qx和Qd均为材料参数，ρcr为动态再结晶临界位错密度，s为晶界能，s＝μbθm/4π(1-v)，θm为晶界取向角，v为泊松比，L为位错自由程，L＝kdb(μ/)m，kd和m为材料常数，λ为位错线能量，λ＝cμb2，c为材料常数，Mbm为晶界可动性，Mbm＝bδDobexp(-Qdif/RT)/kbT，δ为特征晶界厚度，Dob为晶界自扩散系数，kb为波尔茨曼常量，Qdif晶界扩散激活能；建立镍基合金的晶粒尺寸与其演化引起的应力之间的函数关系：其中fg为晶粒尺寸演化系数，di为平均晶粒尺寸，ddrx为动态再结晶晶粒尺寸，Ag、...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺永诚，温东旭，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43