引言镍基高温合金Nimonic 80A由于在高温下具有良好的强度和优异的耐腐蚀以及抗氧化性能,通常被广泛应用于高温热锻部件,如航空发动机低压涡轮叶片、承力环等
[1] 但是由于强度高,Nimonic80A合金的加工成形过程非常困难,通常需要在高温下进行。而在高温下,材料内部会发生多种变形机制,包括加工硬化以及各种软化行为,如动态回复、动态再结晶、静态回复、静态再结晶以及亚动态再结晶。
这些变形机制均会对最终产品的性能产生影响,因此,一些学者对Nimonic 80A的再结晶软化行为进行了研究
[2] 目前,主要采用实验和半经验公式的方法研究材料成形过程的微观组织演变,然而这种方法既增加了产品成本、延长了生产周期,又无法直接观察材料的微观组织演变过程。因此,利用有限元方法对变形过程中微观组织变化进行模拟计算在近几十年得到了广泛的应用[3-5]。
作为介观尺度模型,以位错密度为主要内部变量的元胞自动机(Cellular Automation,CA)模拟再结晶行为,在近几十年成为比较受欢迎的技术手段
[6] 在研究静态再结晶方面,CA法的应用也在不断地发展。1991年,Hesselbarth H W等
[7]第一次利用二维CA模型模拟了静态再结晶过程。此后很多研究人员对静态再结晶的CA模型进行了改进和完善。PezzeeC F等
[8]用CA法研究了含有第二相粒子材料的静态再结晶过程。Marx V等
[9]针对冷轧材料的静态再结晶过程建立了修正的CA模型,提出变形基体中存在的高密度位错提供了新晶粒形核和长大的驱动力。Raabe D等
[10]结合晶体塑性有限元法(CPFEM)和CA法模拟再现了铝合金的静态再结晶过程。Shabaniverki S等
[11]利用CA法模拟了AA1050冷轧铝合金单道次和多道次轧制过程中的静态再结晶行为。近几年国内一些学者也针对静态再结晶的CA模拟取得了很多的研究成果,如ZhengC W等
[12]结合CPFEM和CA法再现了低碳钢中奥氏体的静态再结晶现象。Zhi Y等
[13]利用CA法模拟了含Nb微合金钢的静态再结晶过程。Han F B等
[14]提出了基于曲率驱动机制的亚晶长大模型的静态再结晶CA模拟。Lin Y C等
[15]模拟了镍基合金的静态再结晶行为。Zhang T等
[16]模拟了7055铝合金的静态再结晶行为等。而在Nimonic 80A合金的静态再结晶微
观组织拓扑结构变化特征方面,介观尺度的模拟还没有实现。
本文基于一系列变形机制的物理冶金学原理,建立了元胞自动机模型,并分析了变形参数对该合金静态再结晶形核和长大的影响规律。
1双道次热变形数学物理模型1. 1静态回复位错密度演化模型在道
次间隙静态回复过程中,由于高温环境,金属材料内部位错具有足够的活动能力,能克服
钉扎作用而运动,最终使得系统能量降低。
随着间隙时间t的增加,位错密度ρ逐渐下降,其关系式为
[17-18]:dρdt=-d1(ρ-ρ0)w(1)式中:w为常数;ρ0为材料初始位错密度;静态回复系数d1
为变形参数的函数。d1=d0Dmdrε·ndεldexp(-QdRT)(2)式中:d0、md、nd、ld、
Qd为方程参数; Dr为初始奥氏体晶粒尺寸;ε·为应变速率;ε为第1道次预应变; T为变形
过程的温度; R为气体常数。
[17],当位错密度的降低主要由攀移和被晶界吸收造成时,w=1;档位错密度的降低主要
由柏氏矢量相反的位置相互反应消失时,w=2,本文中w取1。
在道次间隙中,间隙时间为0 s时,位错密度ρrec为前一道次结束时的峰值应力对应的位错密度ρp;当间隙时间足
够长,静态
【摘要】为研究Nimonic 80A高温合金双道次热压缩变形过程中静态再结晶组织结构
演变特征,基于热加工过程中加工硬化、动态回复、静态回复、静态再结晶等物理冶金
学原理,建立了二维元胞自动机模型。
模型给出了静态回复系数、孕育期、晶界迁移速
率等参数的变化方程。
为了确定各方程序中的参数,进行了一系列双道磁热压缩实验。模
拟结果表明,随着间隙时间和温度的增加,静态再结晶晶粒尺寸和再结晶分数均显著增加
加。其中,随着间隙时间的增加,未再结晶部分的静态回复作用增强,新晶粒的长大驱动
力逐渐减小,静态再结晶分数增加的速率缓慢降低直至趋于0。
实验结果证实,该元胞自爆
动机模型能有效预测Nimonic 80A高温合金热变形过程中的静态再结晶行为。
