热加工图理论与应用,介绍内容,一、热加工图的理论基础 二、热加工图的构建方法 三、热加工图的应用实例,1、概述,热加工图是表征材料固有加工性好与坏的图形。典型的热加工图如图所示。,一、热加工图的理论基础,TC4 ELI钛合金热变形机理图,=0.6时Ti40合金的加工图,热加工图的用途： 运用热加工图选择变形工艺参数和改善材料的加工性能。 借用热加工图控制变形过程中形成的组织结构、形态和分析变形机制和组织演变规律。 利用热加工图分析塑性失稳的原因、避免缺陷的产生。,加工性指材料在塑性变形过程中不发生破坏所能达到的变形能力。材料的加工性包括：,加工性,材料固有的加工性 (Intrinsic Workability),应力状态决定的加工性 (State-of-stress Workability),材料化学成分、原始组织状态、加工历史,变形工艺（变形温度、应变速率和应变量等）参数,外界作用的应力状态,变形区内的应力状态,2、材料的加工性,加工图是表征材料固有加工性的图形,材料固有加工性的研究内容,应变速度敏感性,温度敏感性,应变速率和温度的历史效应,应变硬化或软化过程,内部变形缺陷及其演变,晶体结构及其演变规律,用材料高温塑性变形 的流变应力来反映,研究动态和静态回复、再结晶等,描述裂纹的形成和发展,Raj加工图的局限性： 适用纯金属和简单合金，复杂合金不适用； 需确定大量基本参数，涉及较多原子活动机制的理论知识，作很多理论计算才能建立此图; 只建立几种典型过程的原子模型，不适用各种变形机制。,304奥氏体不锈钢的Raj加工图,但尽管如此，Raj开创了应用理论模型研究材料加工性的先河。,韧性断裂区,安全区,绝热 剪切带,楔形开裂,动态再结晶,Gegel和Prasad等人，根据：（1）大塑性变形连续介质力学（2）物理系统模拟（3）不可逆热力学,1） 动态材料模型,3.2 基于动态材料模型的加工图,理论,建立了动态材料模型（Dynamic Material Modeling，即DMM）,基于动态材料模型的加工图的特点：将外界给予的能量（力作的功）与材料发生塑性变形消耗的能量联系起来了。,由此， 输入能量(P)矩形的面积,系统非线性能量耗散示意图,Gegel和Prasad等人将加力的设备、模具和工件视为热力学封闭系统。,即流动应力；应变速率。,所以DMM热加工图可阐明外界作用的能量（力作的功）是如何通过工件塑性变形而耗散的。,耗散量(G) 材料发生塑性变形所消耗的能量，其中大部分能量转化成了热能，小部分以晶体缺陷能的形式存储。 耗散协量(J)材料变形过程中组织演变消耗的能量。,输入能量P是分为两部分耗散（消耗）,所以，,从原子运动角度能更清楚地阐明系统能量分配率的物理意义。材料能量的耗散可分为势能和动能两部分：1）势能与原子间的相对位置有关，显微组织的改变势必引起原子势能的变化，因而与耗散协量（J）对应；2）动能与原子的运动，也即与位错的运动有关，动能转化以热能形式耗散，因而与耗散量（G）对应。,功率耗散图,当材料处于理想线性耗散状态时，应变速率敏感指数m1，此时耗散协量J达到最大值Jmax 。如图。,为了描述材料成形过程中显微组织演变消耗的能量所占比例，引入功率耗散因子。,系统线性能量耗散示意图,所以，,根据 算出不同的值，然后将所得的值表示在T- (温度应变速率)的二维平面上，将相同的数值连接起来，可以得到的等值线，这个等值线图就是功率消耗图，如下：,Ti40阻燃合金功率耗散图,2） 塑性失稳判断准则,引入塑性（变形）失稳判断准则，目的为了获得塑性失稳图。塑性变形过程中的失稳现象主要包括：局部塑性流动绝热剪切带形成空洞形核开裂等为了预测金属材料塑性变形中失稳现象，出现了几种塑性失稳判断准则。,唯象准则塑性变形稳定准则 Semiatin等人根据力平衡的原理，建立与加工硬化（或软化）率和应变速率敏感指数m有关的参数/m。认为钛合金塑性变形准则5是稳定的。但该准则完全根据实际经验取值，没有严密的理论依据。,动态材料模型准则由不可逆热力学极值原理各国研究者提出：,Gegel等人在应变速率敏感指数m值与应变速率无关的基础上，推导出了塑性稳定判断准则。但该准则必须符合本构关系：因此，该准则有局限性。,Murty等人考虑应变速率敏感指数m不是常数的情况下，提出任意类型的应力和应变速率（ ）曲线的塑性失稳准则:或,只要 ，或 材料在变形过程中都可能发生失稳现象。该准则简捷方便、分析严谨，是最有应用前景的一种判断失稳的准则。,根据判断准则，将计算出来的值点在： 变形温度和应变速率的二维平面上，然后将相同的或接近相同点勾划在一起，就成了塑性失稳区，就象前面介绍的TC4ELI变形机理图一样的图形，构成塑性失稳图。,3）DMM热加工图将功率耗散图（功率耗散因子等值线图）与塑性失稳图叠加就可得到热加工图。,二、热加工图的构建方法,1、先做热模拟压缩实验：在热变形范围内对变形温度、应变速率和变形量三个工艺参数进行等差或等比均分，组合成多种实验条件，如：,2、获取热模拟压缩实验后各种条件下的真应力应变曲线。,变形温度（）：900、950、1000、1050，1100应变速率（s-1）：0.01，0.1，1，10变形量（%）: 10、30、50、70,3、对实验曲线进行摩擦修正和温度校正,摩擦修正后的流变应力曲线 （虚线所示）,目的：消除摩擦和温升的影响，尽量接近变形条件的理想状态。,采用古布金公式进行摩擦修正：,式中 真实应力；Z测量应力；r摩擦因子；h试样的瞬时高度,温度校正后的流变应力曲线 （虚线所示）,（Aresenault方法）,利用 和 公式对实验所得其应力应变曲线进行温度校正 。w单位体积的塑性变形功u单位体积内能量增量材料的密度c材料的比热T材料温度升高量,4、获得修正后的真应力应变曲线,采用3次样条函数拟合流变应力log与log 的函数关系，计算出应变速率敏感指数。,5、计算 m值,m为应变速率敏感指数：,6、计算功率耗散率 值,利用Matlab软件中的矩阵运算得出 值。,7、构建热加工图,在由温度和log 所构成的平面内绘制出不同真应变下等功率耗散率的等值线图。将功率耗散效率因子的等值线图与塑性失稳图叠加在一起构成了热加工图。,8、构建热加工图的程序,同Raj加工图一样，在基于DMM模型的热加工图上，也能表示材料安全区域和塑性失稳区域以及不同的变形机制。DMM模型的热加工图已成功的用于研究多种金属及其合金的热变形行为，如铝合金，铜合金，镁合金，钛合金，不锈钢及镍基合金等。,三、热加工图的应用实例,1、 Ti-6Al-4V钛合金热变形机理图,Seshacharyulu等人将加工图理论用于分析初始状态为片状组织的Ti-6Al-4V ELI合金的组织演变机理，归纳出不同区域的变形机理如下图所示。,Ti-6Al-4V ELI钛合金热变形机理图,不稳定,片状组织扭曲,动态再结晶,球化,原始晶界开裂,绝热剪切带,开裂,从图中可以直观地观察到沿晶开裂、楔形开裂、绝热剪切带形成、片状组织扭曲、球化、动态再结晶及不稳定性区域， 据此可以方便地选取合理的工艺参数，避免缺陷产生。,由热加工图可确定： Ti40阻燃钛合金在不同变形区域的高温变形机理。 塑性失稳区域。 不同区域组织结构。由此，为控制Ti40钛合金组织演变和优化热变形工艺提供理论依据。,2、 Ti40阻燃钛合金的热加工图,Ti40阻燃钛合金应变=0.4和=0.6时的加工图,(a) =0.4,(b) =0.6,功率耗散率的最大值都是在温度高，应变速率低处。 功率耗散率的最小值则都是在温度低，应变速率高处。,对应的试验结果：试样45剪切开裂。 与压缩轴成45角彼此平行的剪切变形带穿越晶粒。 有相互紧密排列的滑移带局部塑性流动特征。,原因：Ti40在此条件下塑性不好，与轴线成45方向切应力最大。加之最低值，大部分能量以热的形式耗散。,在低温、高应变速率区(左上角)加工，为失稳区。,在高温、高应变速率区（右上角），为失稳区。,对应的试验结果： 豆腐渣式开裂。原因温度太高，氧化现象非常严重。 纵向开裂。原因与圆柱体试样的环向产生了附加拉应力，因此，与压缩轴平行方向开裂。,在低温、低应变速率区（左下角）。,对应的试验结果： 在此区域内，组织为拉长晶粒，没有再结晶晶粒出现，为典型的动态回复机制，功率耗散率为2232%，呈现出局部极小值。如果变形温度太低或者变形量太小，能量很容易通过回复而耗散，因而微观结构没有太大的变化，呈动态回复特征。,在高温、低应变速率区（右下角）。,对应的试验结果： 有大量晶界成锯齿状的再结晶晶粒，为典型的连续再结晶现象。原因，温度高，驱动力大，易形成新晶粒，在随后的变形中，新晶粒再次承受变形，呈现锯齿状特征。该区域值达到6080，正表明组织演变耗散的能量最大。,正,功率耗散率值在3650发生动态再结晶。,温度9501050、应变速率0.11s-1(中间区)，为动态再结晶区。,对应的试验结果： 在此区域，沿着晶界分布着动态再结晶晶粒，呈现大小晶粒混杂的现象，即混晶现象。 在相同的温度和应变速率下，随着变形量的增加，或在相同的变形速率和变形量下，温度越高，再结晶晶粒越大越多。,Ti40阻燃钛合金加工图各区域对应的试验结果,运用系统稳定性分析原理，基于动态材料模型（DMM）建立了Ti40阻燃合金加工图。由功率耗散率可将加工图分为三大区域：1）大应变量、高应变速率为失稳区；2）低温、低应变速率为动态回复区；3）高温、低应变速率是动态再结晶区。选择合适的变形区域作为该合金的加工范围，既能保证不产生塑性失稳，又能得到大量再结晶的锻造组织，不仅解决了Ti40合金的锻造难题，也为研究难变形材料高温塑性变形行为提供了理论与实践的依据。,3、 Ti-17合金的加工图,应变0.6时的加工图(阴影区为塑性失稳区域),目的：研究片状组织球化规律。,按照同样方法，建立了Ti-17合金加工图。,耗散效率因子的峰值(80)出现在830、应变速率为10-2s-1处（左下角）。,由加工图可见以下特点：,在图中890虚线处附近，耗散效率因子的等值线出现明显的弯折，这种弯折一般是由于发生了相转变，同该温度为Ti-17合金的相变点是吻合的。,图中阴影的塑性失稳区域，在较高应变速率条件下出现。对于Ti-17合金，出现塑性失稳一般是绝热剪切带或局部变形。因此，应避开此区域加工。,片状组织球化是一种动态再结晶的过程。根据Prasad的研究， 值在4050发生再结晶。由所绘制的热加工图可见，片状组织球化的理想区域是在840870、应变速率在0.52s-1之间。,这对研究双性能（双组织）锻件提供了理论与实践的依据。,金相组织观察证明了这一点,