基于DEFORM3D的7050铝合金大锻件成形工艺与晶粒尺寸演化研究

基于DEFORM3D的7050铝合金大锻件成形工艺与晶粒尺寸演化研究 中南大学硕士学位论文基于DEFORM-3D的7050铝合金大锻件成形工艺与晶粒尺寸演化研究姓名刘超申请学位级别硕士专业机械设计及理论指导教师易幼平20090504中南大学硕士学位论文摘要摘要航空结构件目前越来越多的采用高强、高韧的铝合金整体模锻件其性能取决于模锻件在热加工过程中的微观组织结构研究铝合金大型锻件锻造工艺及其微观组织的演变规律对于航空构件的成形成性具有重要意义。本文在平台上对铝合金大锻件自由锻工艺及模锻工艺进行了模拟并利用微观组织模块对锻造过程中微观组织演变进行了模拟。主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 如下利用热模拟实验机对铝合金在不同的变形温度和应变速率条件下进行了等温压缩实验研究了热变形参数对流变应力和动态再结晶行为的影响建立了稳态流变应力模型。研究结果表明流变应力随变形温度的升高而降低随应变速率的升高而升高在高温低应变速率条件下有动态再结晶行为的发生。利用金相显微镜分析了铝合金工业铸锭、工业锻件及热压缩试样的微观组织并结合热模拟实验建立了元胞自动机模型。分析结果表明铝合金的动态再结晶过程与变形参数密切相关在经过锻造工艺后平均晶粒尺寸由变为左右动态再结晶百分数达到了以上。在平台上模拟了铝合金大锻件自由锻工艺并利用元胞自动机模块模拟了自由锻过程中的微观组织演变过程。模拟结果表明在自由锻过程中铝合金大锻件的微观组织得到了极大的改善在模拟过程中发生了动态再结晶现象晶粒得到了均匀细化经过多次拔长可得到均匀细化的微观组织模拟得到的平均晶粒尺寸大小和动态再结晶百分数与实验结果符合较好。在平台上模拟了铝合金大锻件模锻工艺并利用模块对金属流线进行了分析分析了模具下压速度、变形温度及摩擦因子对模锻件成形及金属流线的影响。分析结果表明变形温度对模锻件成形影响显著在较高的变形温度和较小的摩擦因子条件下锻件成形较好金属流动性好。变形温度为。摩擦因子为变形速度为是较为理想的变形条件。关键词铝合金微观组织元胞自动机动态再结晶流线中南大学硕士学位论文’剐’剐一中南大学硕上学位论文—一原创性声明本人声明所成交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了论文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。储躲华嗍业』让日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定即学校有权保留学位论文允许学位论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部分内容可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。日期俎年列争匀中南大学硕士学位论文第一章绪论课题背景第一章绪论锻造作为一种传统的生产工艺广泛应用于机械、航空、航天、兵器等许多生产部门在国民经济中占有十分重要的地位。近年来随着航空航天工业的发展一些特殊锻件的尺寸也在不断增加这就导致其内部冶金缺陷问题如空洞、气泡、疏松、夹杂等更加突出因此航空大锻件的锻造过程不同于一般小型锻件的锻造过程它不单是锻件的成形过程更重要的是消除冶金缺陷改善组织的过程达到成形成性的目的。由于航空大锻件结构尺寸的特殊性并且其对于材料的微观组织要求也极为严格这就使得航空大锻件锻造成形工艺的制订显得极为重要。超高强度的铝合金由于具有密度低、强度高、热加工性能好等优点是航空航天领域的主要结构材料年美国铝业公司通过降低铝合金中的和等杂质含量开发出了具有超高强度的铝合金【】铝合金作为一种超高强度铝合金是一种具有高的室温强度和良 好的综合力学性能的航空结构材料目前该铝合金已广泛应用于飞机重要部件的制造成为飞机制造业通用的结构材料。。由于铝合金在常温条件下的塑性较低一般需经高温塑性加工成形目前飞机上使用的铝合金结构件主要采用锻造工艺成形。因此对铝合金大锻件锻造成形工艺与微观组织演变进行模拟仿真研究不同变形参数对其成形成性的影响对于制定该类合金的锻造成形工艺具有重要的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 意义。锻造成形工艺数值模拟技术发展现状有限元数值模拟技术 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 基础是经过很长时间发展起来的它最早在工程中的应用是从结构方面开始的。年德国的第一次在结构分析中使用能量原理和矩阵为有限元的发展和应用奠定了基础。年首先将这种思想推广用来求解弹性力学的平面应力问题【叫并首次使用“有限单元法这一名称。几十年下来有限元法的应用已经从弹性力学平面扩展到空间、板壳由静力平衡扩展到稳定、动力学问题和波动问题。有限元 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 在材料研究中的应用开始于铸造过程的分析和计算这是因为铸件凝固过程温度场模拟计算相对简单。年丹麦首次采用计算机及有限差分法进行铸件凝固过程‘】中南大学硕士学位论文第一章绪论的模拟。继丹麦人之后在上个世纪的年代中期美国在资助下开始进行大型铸钢件温度场的数值模拟研究。有限元法在金属塑性加工领域的出现始于世纪年代经过多年的发展使塑性有限元技术已经发展成为种类比较齐全的方法并得到越来越多的应用。金属的锻造过程是一个非常复杂的塑性成形过程它具有多种非线性特征在成形过程中还常伴有热力耦合作用【】所以对塑性成形问题进行精确求解非常困难。金属和合金的热成形过程能否成功与正确选择和遵守变形热力规范变形温度、变形速度和变形程度密切相关。但是这些热力规范在锻件成形过程中具有不确定性和分散性材料的锻造过程就是许多偶然因素重要影响之下的静不定问题是偶然因素与必然因素协同作用的结果。过去应用更多的是近似方法如主应力法滑移线法以及上限法、下限法等这些近似研究方法都需要做较多的简化和假设无法满足理论分析和工程实际的需要。目前塑性有限元法【叫】已成为模拟分析塑性成形过程的有力工具也是应用最广泛的数值分析方法之一。塑性有限无法在金属成形领域中的应用的主要方法可以分为两类一类是固体型塑性有限元法另一类是流动型塑性有限元法。固体型有限元法可以分为小变形弹塑性和大变形弹塑性有限元法【。它同时考虑弹性变形和塑性变形弹性区采用定律塑性区采用方程和屈服准则求解未知量是节点位移增量。小变形弹塑性有限元法是在金属塑性成形中最早出现并应用的年马卡夫和金开始用有限元法分析二维应力系统的弹塑性变形后来亚马等人推导了小变形弹塑性应力矩阵这就促进了小变形有限元理论的发展。小变形弹塑性有限元法采用小变形增量来描述大变形问题处理形式简单但累积误差大它仅适用于分析变形体从弹性状态到塑性状态的初始阶段因此也就限制了它在塑性成形领域的进一步应用。大变形弹塑性有限元法最早是在年由希尔提出的年希伯特等人采用拉格朗描述法为基础的大变形弹塑性有限元列式年代中期麦可米金等人建立了基于欧拉描述法的大变形弹塑性有限元列式既可以分析加载过程又可以分析卸载过程包括计算残余应力、应变及回弹、模具和锻件之间的相互作用也可以处理几何非线性和非稳态问题。但由于同时考虑材料的物理非线性和几何非线性因而理论较为复杂并且增量步长很小计算效率低。年和针对弹塑性有限元法存在的问题提出了刚塑性有限元法【婚】用来分析金属塑性成形问题。近年来刚塑性有限元法已被广泛应用并解决了许多金属塑性成形问题。但随着有限元技术的发展刚塑性有限元法在求解过程中出现了一些问题针对这些问题则提出了处理材料 不可压中南大学硕士学位论文第一章绪论缩条件的乘子法【、罚函数法【伽和体积可压缩法【】等各种相应的解决方法。在热加工及超塑成形中材料不仅表现有塑性同时也表现有粘性而且某些对应变速率敏感的材料即使有常温下也可表现出粘性。粘性对材料塑性变形规律有较大的影响在有限元模拟中必须加以考虑因此发展了粘塑性有限元法。刚粘塑性有限元法将变形体视为非牛顿体适用于分析热态及对速度敏感的金属材料的塑性成形问题。许多学者采用刚粘塑性有限元法对各种塑性成形问题进行了分析取得了许多成果。倒对粘塑性的屈服准则和本构关系进行了系统的总结。年、?【】提出了刚粘塑性有限元法进一步扩展了有限元法在金属体积成形模拟中的应用。】等在刚粘性材料变原理的基础上也导出了类似的刚粘塑性有限元求解列式。年和得出了刚塑性有限元中的可压缩方法对多种轧制和挤压工艺以及粉末成形工艺进行了模拟。采用不限元法不仅可以研究金属成形过程中的流动规律及组织与性能的演变过程而且可以获得任意时刻成形件的位移场、速度场、应变场、温度场及应力场等热力学参量从而可以模拟材料的整个模锻过程。随着有限元技术的发展在国外已经有不少塑性有限元商品软件推出并在许多国家的研究部门和生产企业中得到应用如美国的和法国的等。自世纪年代以来我国有许多高校和科研院所也开始了该方面的软件研究目前也有少数在企业中应用但整体来说我国与国外相比在软件技术水平和应用程度方面尚有明显的差距。随着数值模拟技术的发展以及材料科学领域发展的需要对于金属成形过程中的微观组织演变规律的研究得到了国内外学者广泛的关注。微观组织模拟技术的研究现状先进塑性加工技术的飞速发展要求在确保产品形状、尺寸精度的同时更加注重产品综合机械性能的提高。而产品的机械性能在很大程度上由材料微观组织的变化决定因此预测与控制产品微观组织结构对提高产品性能具有重要的现实意义。近年来。微观组织的模拟、预测及控制已成为国内外学者的一个研究热点引起越来越多学者的极大关注。最初开展微观组织模拟工作的是从事轧制领域研究的学者们。世纪年代等率先对热轧过程中材料的微观组织演变进行了模拟研究。年代、】等研究了含量少于的碳锰低碳钢的再结晶过程建立了钢环轧过程中微观组织演变的半经验数学模型。年代初首先将微观组织演变模型引入到非稳态锻造过程并采用有限元中南大学硕上学位论文第一章绪论法对二维热镦粗的动态再结晶过程进行了数值模拟。和】等在实验基础上建立了超耐热合金热变形过程的微观组织演变模型对二维热镦粗和扁平状模锻过程的晶粒尺寸和分布进行了模拟预测。圳】等通过对钛合金进行等温变形条件下的压缩试验获得与动态再结晶相耦合的流动应力模型和动态再结晶晶粒尺寸及体积分数计算模型。等利用提出的经验公式及热力耦合刚粘塑性有限元综合考虑了变形过程及变形后动静态再结晶、晶粒长大软化机制的影响模拟分析了碳钢热镦粗过程不同变形程度下的动态再结晶晶粒大小与分布及变形结束后不同空冷时间下的晶粒尺寸及分布并与实验进行了对比。模拟过程中考虑了工件转移和在模具上停留时间内热传导的影响使模拟结果更加准确。【】等建立了镍基合金在热变形过程中的微观组织演变模型得出开始动态再结晶的临界应变值是应变速率、应变、温度的函数并基于三维有限元模拟分析了镍基合金叶片预锻和终锻后的晶粒尺寸和体积分数。在国内王芳、王作成【】在镦粗过程的有限元模拟程序的基础上使用开发了微观组织模拟程序对号钢热镦粗过程的动态再结晶的晶粒尺寸进行了模拟并实现了模拟结果的可视化但在模拟过程中未考虑温度及热传导的影响因素。李俊、李润方【通 过热力模拟试验采用提出的微观组织演变模型形式获得钢在热变形过程中晶粒变化的数学描述结合自行开发的热力耦合刚粘塑性有限元模拟系统考虑变形及变形完成后的动态再结晶、静态再结晶、晶粒长大软化机制和相变等因素的影响。但这些研究均未考虑变形过程中微观组织演变对材料流动应力的影响不能反映变形与微观组织演变的交互作用。王连生、曹起骧【?‘】应用三维热力耦合刚粘塑性有限元模拟技术对号钢中心压实法锻造工艺下热锻成形的速度场、温度场、动态再结晶过程及再结晶的晶粒大小、分布进行了模拟研究。模拟过程中采用提出的热力参数描述的高温下中碳钢动态再结晶的半经验数学模型考虑了再结晶过程对金属高温下流动应力的影响使用与再结晶耦合的本构关系运用塑性变形、热传导和动态再结晶耦合的分析方法进行数值模拟并与试验结果进行了比较。罗子健【】等在等温恒应变速率压缩试验的基础上应用模糊数学方法建立了表征变形高温合金锻件晶粒度的隶属程度与锻造热力参数之间的定量关系即所谓隶属函数为利用有限元数值模拟结果预测变形高温合金锻件的显微组织提供了媒介。并将隶属函数与有限元变形传热耦合分析方法相结合建立了预测变形高温合金锻件晶粒度的新方法对优化难变形材料锻造工艺和控制锻件质量具有指导作用。熊爱明【在高温力学及定量金相试验的基础.