[发明专利]一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法

摘要

本发明公开了一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法，采用热模拟压缩试验，获取其钛合金热变形应力应变数据；采用等距分布的双高速摄影仪，精确测量钛合金热变形的临界开裂变形量；采用FORTRAN语言编制工具，通过二次开发所建立的热变形开裂准则，并将其导入到有限元模拟软件当中，实现钛合金热变形开裂预测与分析。基于此，有效结合所建立的热变形开裂准则与有限元软件，实现系统分析钛合金开坯锻造过程中的开裂行为，并优化了钛合金开坯锻造工艺参数，即变形速度、变形量、型砧类别与进给量的优化。避免了传统锻造工艺反复“试错”所引起的人力与物力消耗，提高了实际生产效率。

主权项

一种基于开裂准则和有限元优化钛合金开坯锻造工艺方法，其特征在于包括以下步骤:步骤1.确定钛合金试样形状及尺寸，在Gleeble3500热模拟试验机上进行热模拟压缩试验，并采用两台Phantom V711高速摄影仪分别放置于压缩仓可视窗口的两侧进行观测，获取热压缩过程合金表面裂纹的起始与扩展的影像文件，以及试验材料的流动应力应变数据建立材料的本构关系；步骤2.根据热压缩试验所获得的应力应变数据，采用数值计算方法计算合金的热变形激活能Q，基于变形温度T和应变速率计算Zener‑Hollomon因子，按以下公式:$Z=\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\×\exp (Q/\mathrm{RT})$式中，R为摩尔气体常数；步骤3.基于所记录的热压缩整个过程合金表面裂纹起始与扩展的影像文件，采用Image‑Pro Plus 5.0图像分析软件，对图像进行分帧处理，确立合金临界开裂点，最终采用Image‑Pro Plus 5.0图像分析软件对临界开裂图像进行临界开裂变形量的计算；步骤4.采用金相显微镜、扫描电镜和投射电镜对热压缩后的试样表面宏观裂纹以及内部裂纹进行观察和分析，研究合金的热变形开裂方式以及开裂机制，确立合金开裂诱发应力；步骤5.基于高速摄影技术测定的临界开裂变形量与计算所得Z因子，通过拟合方式建立可考虑变形温度和应变速率的临界损伤变量描述模型；步骤6.采用Deform‑3D有限元模拟软件，依据上述热模拟压缩试验的热变形参数进行变形‑传热耦合分析，基于Deform‑3D软件中自带的典型室温开裂准则即Freudental准则、Norris准则、Cockcroft‑Latham准则、Oh准则、Brozzo准则和Oyane准则的计算，通过各种准则所预测的开裂位置和损伤变量变化规律与热模拟压缩试验结果比较，确立钛合金热变形的韧性开裂准则，将此准则与临界损伤变量模型相联系，建立钛合金热变形的韧性断裂准则；步骤7.采用FORTRAN语言编制工具，二次开发热变形开裂准则，并嵌入到Deform‑3D有限元模拟软件中，进行不同工艺条件下的钛合金开坯的有限元模拟，实现钛合金热变形的变形－传热－损伤耦合分析，获得系统优化钛合金开坯锻造工艺参数。