一种近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法技术

本发明专利技术提供一种近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法，属于塑性成形技术领域。该方法首先利用单轴等温恒应变速率热模拟拉伸/压缩试验、电子背散射衍射技术、光学显微镜，获得近α型钛合金的应力

【技术实现步骤摘要】
一种近
α
型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法


[0001]本专利技术涉及塑性成形
，特别是指一种近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法。

技术介绍

[0002]钛及钛合金因其具备优质结构材料所需的轻质、高强、耐热、耐蚀、抗冲击震动、可加工性好等特性，在空、天、地、海等关键领域具有广泛的用途。钛及钛合金由于常温下晶体密排六方结构(Hexagonal close
‑
packed，HCP)的特殊性，导致塑性变形困难并且极易形成较强的织构，对产品的塑性加工过程及力学性能产生巨大的影响。因此，在热塑性大变形条件下进行塑性加工的同时对织构进行预测对钛合金的生产及应用具有重要的作用。
[0003]钛合金的热塑性大变形加工是一个多场、多因素作用下的高度非线性过程，材料要经历复杂的高温塑性变形和微观演变，这种交互作用规律决定了合金的织构，最终会影响到产品的质量和性能。但试验测试具有一定的局限性，难以实现复杂条件加载、微观组织结构的实时测量，难以全面探索塑性变形机制。因此，有必要建立一个在不同的热变形条件下能够描述钛合金塑性变形行为模型，从而实现对钛合金在塑性变形中的织构演化行为的有效监控，进而优化塑性加工工艺且实现塑性加工产品形
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性一体化的目的。
[0004]文献1(Jie Z,Ll C,Kwa B,et al.Effects of strain state and slip mode on the texture evolution of a near
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αTA15 titanium alloy during hot deformation based on crystal plasticity method[J].Journal of Materials Science&Technology,2020,38:125
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134.)通过晶体塑性有限元模拟分析了不同高温应变状态下TA15钛合金的织构演化行为，但由于钛合金宏观构件与晶体塑性模型的单元不在同一尺度，计算量过大无法直接模拟复杂加载情况下的塑性成形过程，这促进了宏观有限元耦合织构模拟方法的发展；文献2(Li H,Wei D,Zhang H,Yang H,Liu H,Liu S,Chu Z,Zhang D,Texture evolution and controlling of high
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strength titanium alloy tube in cold pilgering for properties tailoring,Journal of Materials Processing Tech,2020,279)通过三维有限元模型和粘塑性自洽(VPSC)晶体塑性模型的耦合，考虑变形历史对空心管冷轧过程中的非均匀变形流动和织构演化进行了预测，但是冷轧并不涉及到温度这一影响因素；文献3(陈立全.TC18钛合金锻造过程有限元模拟和织构预测[D].北京:北京科技大学，2019.)模拟了钛合金TA18三向锻造织构演变过程和不同条件下压缩织构并解释了锻造织构形成原因，但是由于采用的本构模型并没有考虑温度、应变速率的影响，针对不同的变形条件下均需要进行试验用来标定一组模型参数。且以上研究均没有考虑到不同温度下钛合金两相的体积变化，以及对宏观力学性能与微观织构演化的影响。
[0005]本专利技术在实验室试验的基础上，综合考虑了温度、速度梯度、α、β两相体积分数等因素，通过宏观有限元耦合织构模拟技术，可实现对不同两相体积分数的近α型钛合金在复杂加载的热塑性加工条件下的塑性变形机制的研究及宏观力学性能、微观织构演化规律的预测。

技术实现思路

[0006]本专利技术为避免大量繁琐的实验并进行实现复杂加载路径下的织构预测，提供一种近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法，依托于数据流的传递，在实验室试验的基础上结合宏观有限元耦合织构模拟技术实现近α型钛合金材料在热塑性大变形下织构的演化规律预测与分析。
[0007]该方法首先利用单轴等温恒应变速率热模拟拉伸/压缩试验、电子背散射衍射技术(EBSD,Electron Backscatter Diffraction)、光学显微镜(OM,Optical Microscope)，获得近α型钛合金的应力
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应变数据、热模拟大变形前后织构的Bunge Euler角度及α、β相体积分数；随后利用应力
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应变数据建立本构方程并通过用户子程序接口VUMAT将本构方程嵌入ABAQUS有限元软件中，通过数值推导和后处理获得近α型钛合金热塑性大变形过程中速度梯度张量值、时间增量；基于粘塑性自洽模型(Visco
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Plastic Self
‑
Consistent,VPSC)数值计算程序，结合应力
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应变数据与热模拟大变形前后织构的Bunge Euler角度，利用MATLAB/MTEX确定与优化机械阈值应力(MTS，the Mechanical Threshold Stress)硬化法则的参数，建立了ABAQUS
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VPSC
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MTS多尺度模型。该模型考虑了α、β两相的体积分数、温度、速度梯度等变形历史对钛合金力学性能的影响，可预测近α型钛合金在不同热塑性大变形过程中的织构，能分析变形过程中的塑性变形机制、宏观力学行为及织构演化规律，有助于实现塑性加工产品形
‑
性一体化的目的。
[0008]该方法包括步骤如下：
[0009]S1：使用光学显微镜获得近α型钛合金材料在不同温度下的金相组织图片，通过ImageJ软件的数字图像处理功能定量分析得到近α型钛合金中α、β相体积分数，利用线性插值法获得温度区间内任一温度下近α型钛合金中α、β相体积分数；
[0010]S2：根据近α型钛合金材料在热塑性大变形时处于的应力状态完成单轴等温恒应变速率热模拟试验，应力状态为拉应力时完成单轴等温恒应变速率热模拟拉伸试验，应力状态为压应力时完成单轴等温恒应变速率热模拟压缩试验，获得钛合金材料在不同温度、不同应变速率下的应力
‑
应变数据；
[0011]S3：选取S2中任意一个已完成热模拟试验的试样，利用电子背散射衍射技术EBSD获得试样的图像数据，使用MATLAB/MTEX工具箱进行数据处理，获得试样在热塑性大变形后织构的Bunge Euler角度；
[0012]S4：取和S3中相同但未进行热模拟实验的试样，利用电子背散射衍射技术EBSD获得试样在热塑性变形前的图像数据，使用MATLAB/MTEX工具箱进行数据处理，获得试样在热塑性大变形前初始织构的Bunge Euler角度；
[0013]S5：根据S2中获得的应力
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应变数据，利用MATLAB确定近α型钛合金材料的Johnson
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Cook本构方程中的5个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法，其特征在于，包括步骤如下：S1：使用光学显微镜获得近α型钛合金材料在不同温度下的金相组织图片，通过ImageJ软件的数字图像处理功能定量分析得到近α型钛合金中α、β相体积分数，利用线性插值法获得温度区间内任一温度下近α型钛合金中α、β相体积分数；S2：根据近α型钛合金材料在热塑性大变形时处于的应力状态完成单轴等温恒应变速率热模拟试验，应力状态为拉应力时完成单轴等温恒应变速率热模拟拉伸试验，应力状态为压应力时完成单轴等温恒应变速率热模拟压缩试验，获得钛合金材料在不同温度、不同应变速率下的应力
‑
应变数据；S3：选取S2中任意一个已完成热模拟试验的试样，利用电子背散射衍射技术EBSD获得试样的图像数据，使用MATLAB/MTEX工具箱进行数据处理，获得试样在热塑性大变形后织构的Bunge Euler角度；S4：取和S3中相同但未进行热模拟实验的试样，利用电子背散射衍射技术EBSD获得试样在热塑性变形前的图像数据，使用MATLAB/MTEX工具箱进行数据处理，获得试样在热塑性大变形前初始织构的Bunge Euler角度；S5：根据S2中获得的应力
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应变数据，利用MATLAB确定近α型钛合金材料的Johnson
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Cook本构方程中的5个参数；S6：通过用户子程序接口VUMAT将S5的Johnson
‑
Cook本构方程嵌入ABAQUS有限元软件中，通过数值推导与编程完成位移梯度张量向速度梯度张量的转换，将速度梯度张量值存储在用户子程序接口VUMAT的状态变量中，建立Johnson
‑
Cook子程序；S7：根据S3中观测试样在热塑性大变形过程中的几何形状、边界条件、载荷情况，采用S5确定的近α型钛合金材料的Johnson
‑
Cook本构方程参数及S6建立的Johnson
‑
Cook子程序，在ABAQUS有限元软件中建立动力显式仿真分析模型，利用后处理，获得特征区域内任意一点的速度梯度张量值和时间增量；其中，特征区域为S3中电子背散射衍射技术EBSD观测位置；S8：利用MATLAB/MTEX软件，使用随机织构Bunge Euler角度、单调速度梯度、近α型钛合金在S2中热模拟试验的温度、在此温度下由S1观测结果计算得到的α、β相体积分数、S4中热塑性大变形前初始织构的Bunge Euler角度、S7中得到的速度梯度张量值和时间增量数据，以S2中的应力
‑
应变数据、S3中的热塑性大变形后织构的Bunge Euler角度为目标，基于粘塑性自洽模型VPSC数值计算程序，确定机械阈值应力MTS硬化法则中的19个参数；S9：使用S8确定的机械阈值应力MTS硬化法则参数和S6建立的Johnson
‑
Cook子程序，结合粘塑性自洽模型VPSC数值计算程序，建立ABAQUS
‑
VPSC
‑
MTS多尺度模型；S10：根据近α型钛合金在不同的热塑性大变形过程的几何形状、边界条件、载荷情况，使用S6建立的Johnson
‑
Cook子程序，在ABAQUS有限元软件中建立动力显式仿真分析模型，通过后处理得到的有限元模型内任意一点的速度梯度张量值和时间增量、近α型钛合金未发生塑性变形前初始织构的Bunge Euler角度、变形温度、α与β相体积分数，作为S9中ABAQUS
‑
VPSC
‑
MTS多尺度模型输入，进行近α型钛合金在不同热塑性大变形过程中的织构预测。2.根据权利要求1所述的近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法，其特征在
于，所述S1中使用光学显微镜获得近α型钛合金材料在不同温度下的金相组织图片的具体步骤如下：S11：在室温25℃到近α型钛合金材料的相变温度T
α
→
β
的温度区间中，按150℃～200℃的间隔确定金相组织观测温度；S12：使用箱式电阻炉将观测试样加热到S11确定的金相组织观测温度后，保温10min，随后将试样迅速取出并置于冷水中水淬，待完全冷却后，从水中取出；S13：将S12中试样表面氧化层完全去除，制成金相试样，利用光学显微镜获得金相组织图片。3.根据权利要求1所述的近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法，其特征在于，所述S1中利用线性插值法获得温度区间内任一温度下近α型钛合金中α、β相体积分数具体计算过程如下：当T＜T
α
→
β
时：其中，T
α
→
β
为近α型钛合金材料的相变温度；T1、T2为S11中相邻的两个金相组织观测温度；T表示在区间[T1,T2]内的任一研究温度，其中T＜T
α
→
β
；V
αT
、V
βT
分别表示温度T时α相体积分数和β相体积分数；分别表示温度T1、T2时α相体积分数；当T≥T
α
→
β
时：V
αT
＝0，V
βT
＝1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，V
αT
、V
βT
分别表示温度T时α相体积分数和β相体积分数。4.根据权利要求1所述的近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法，其特征在于，所述S2中获得钛合金材料在不同温度、不同应变速率下的应力
‑
应变数据的具体步骤如下：S21：试验温度范围为室温25℃到T
α
→
β
+300℃，按100℃～150℃的温度间隔进行应变速率分别为0.01s
‑1、0.1s
‑1、1s
‑1、10s
‑1的单轴等温恒应变速率热模拟试验；S22：单轴等温恒应变速率热模拟试验结束后，将试样迅速取出并置于冷水中水淬，待完全冷却后，从水中取出作为S3中电子背散射衍射技术EBSD观测试样。5.根据权利要求1所述的近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法，其特征在于，所述S4中利用电子背散射衍射技术EBSD获得S3中观测试样在热塑性变形前的图像数据具体步骤如下：S41：取一近α型钛合金试样，使用箱式电阻炉将观测试样加热到S3中观测试样的温度后，保温10min；S42：将试样迅速取出并置于冷水中水淬，待完全冷却后，从水中取出，制成EBSD试样并观测，获取图像数据。6.根据权利要求1所述的近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法，其特征在于，所述S5中利用MATLAB确定近α型钛合金材料的Johnson
‑
Cook本构方程中的5个参数具体步骤如下：
S51：采用Johnson
‑
Cook本构方程，应力被定义为应变、应变率和温度的函数：其中：σ为Von
‑
Mises等效应力；A为材料在参考温度和参考应变速率下的屈服强度；B为加工硬化模量；ε为应变；n为硬化指数；C为应变速率常数；为等效塑性应变率；为应变速率参考值；m为热软化常数；T
r
参考温度，取室温T
r
＝25℃；T
m
为材料的熔点温度；T为试验温度；确定A、B、n、C、m是Johnson
‑
Cook本构方程需要标定的5个参数；S52：利用非线性最小二乘法确定S51中的5个材料参数，优化目标为S值最小化：S52：利用非线性最小二乘法确定S51中的5个材料参数，优化目标为S值最小化：其中，ε
i
代表第i个数据点的应变值；σ(ε
i
)代表在应变为ε
i
时Johnson
‑
Cook本构方程得到的应力值；代表在应变为ε
i
时S2中试验获得的应力值；r
i
代表真实应力值与模拟应力值σ(ε
i
)的残差；S代表残差r
i
的平方和。7.根据权利要求1所述的近α型钛合金热塑性大变形过程中的织构预测方法，其特征在于，所述S6中通过数值推导与编程完成位移梯度张量向速度梯度张量的转换的具体步骤如下：S61：在连续介质力学中，变形梯度张量F和速度梯度张量L描述如下：S61：在连续介质力学中，变形梯度张量F和速度梯度张量L描述如下：S61：在连续介质力学中，变形梯度张量F和速度梯度张量L描述如下：其中，表示x对时间的导数；x为质点的空间坐标，即当前构形；X为质点的物质坐标，即参考构形；v是在空间坐标x下质点变形后的速度；经过数学变换得变形梯度的速率方程：在时间间隔[t
n
,t
n+1
]中，假设t
n
时刻下材料的状态变量，需求解时间增量Δt后，即在时刻t
n+1
下的新状态；对上式进行全隐式时间积分，得：F
n+1
＝exp(ΔtL
n+1
)F
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)进而用一阶泰勒展开式近似表达：F
n+1
≈(I+ΔtL
n+1
)F
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)其中I是...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪波，梁培，张杰，孔宁，
申请(专利权)人：北京科技大学顺德研究生院，
类型：发明
国别省市：