TA15钛合金板材高温塑性损伤本构建模与成形极限研究

发布时间：2018-04-07 17:22

本文选题：TA15钛合金　切入点：板材热成形　出处：《北京科技大学》2016年博士论文

【摘要】：TA15钛合金是一种中高强度近α钛合金,具有比强度高、耐蚀性好、耐热性好等优点,广泛应用于航空航天工业。该合金室温延伸率低、回弹高,故其复杂零件通常采用热态成形工艺制造。TA15钛合金复杂钣金零件主要成形工艺为超塑性成形工艺,该工艺极大地提高了材料的成形性能,但成形速度慢,生产效率较低。随着能源问题日益突出,发展成形温度低于超塑性成形,且成形速率较高的钛合金热成形技术成为研究热点。但由于成形温度低、速率高,易产生破裂缺陷。破裂缺陷受成形温度、成形速率、应力状态、应变路径以及微观组织等因素影响,采用实验方法研究,成本高,效率低。因此基于连续介质损伤理论结合基础力学性能测试,建立高温塑性损伤本构模型,实现高温成形极限预测,对预测TA15钛合金板材热成形破裂缺陷和指导成形工艺具有重要意义。首先,在750～850℃条件下对TA15钛合金板材进行了应变速率为0.001～0.1 sd的高温拉伸实验研究,分析了变形温度、应变速率和初始微观组织对TA15钛合金热变形行为的影响规律。结果表明：800℃、0.01 sd条件下,TA15钛合金变形抗力适中,塑性较好,适于成形：等轴组织状态TA15钛合金具有更好的塑性。采用SEM和EBSD观察拉伸件微观组织,分析了流动软化机理。结果表明TA15钛合金流动软化与其初始组织有关。初始组织为双态组织时,流动软化机理为片层组织的弯折、旋转和球化造成“硬滑移模式”向“软滑移模式”转变,从而导致流动应力下降；初始组织为等轴组织时,流动软化主要由高温下的动态再结晶导致。通过高温拉伸试件变形组织和断口观察,得出TA15钛合金高温塑性损伤机理为：α相与β相变形不协调导致两相结合界面处形成微孔洞,孔洞随着变形不断长大和聚合,造成材料有效承载面积缩减。极限应变随着温度的升高和应变速率的降低而增大。采用真空退火获得了6种不同初始组织板材,进行高温拉伸实验,分析了微观组织对TA15钛合金韧性断裂的影响。设计了弧形缺口拉伸试件,在800℃下进行了拉伸实验,结果表明：应力三轴度从0.33到0.45时,极限应变从0.25降至0.05；当应力三轴度从0.45到1.59时,极限应变基本不变。基于实验揭示的流动软化和塑性损伤机理,分别考虑α相和β相塑性流动,以位错密度、β相体积分数、片层组织球化分数、塑性损伤为内变量,建立了耦合损伤的TA15钛合金粘塑性统一本构模型,并用遗传算法优化技术确定了模型常数。模型计算结果与实验数据对比表明：模型能够较好预测TA15钛合金高温拉伸过程的应力-应变、组织和损伤的演化。通过热态Nakajima实验,获得了1.4 mm厚TA15钛合金板材在800℃-30 mm/min下的成形极限曲线(FLC)。考虑第一主应力、等效应力和静水应力对损伤演化的影响,将单轴拉伸损伤本构模型推广至平面应力状态,并利用FLC数据确定了模型常数。采用平面应力状态损伤本构模型,预测不同温度、应变速率和应变路径下TA15钛合金的高温FLC。结果表明：当应变率在0.001～0.1 s-1,温度从750℃提高至850℃,平面应变状态下极限应变提高67%-100%；当变形温度在750～850℃,应变率从0.1 s-1下降至0.001 s-1,平面应变状态下极限应变提高约88%-125%；应变路径对成形极限影响显著,单轴拉伸预应变可提高双拉变形区成形极限,双轴拉伸预应变可提高单轴拉伸区成形极限。采用隐式本构积分和弹性预测-塑性迭代修正的应力更新算法,开发了损伤本构模型VUMAT子程序。通过单个单元拉伸测试,证明子程序准确可靠。模拟了TA15高温拉伸过程,拉伸极限位移预测误差≤3.24%,峰值载荷误差≤7.14%。利用壳单元VUMAT,预测了板料刚模胀形过程损伤演化和破裂极限。有限元预测的破裂形式和位置与实验件一致,板料破裂时凸模行程的计算值与实验值之间的相对误差为1.6%。采用轴对称单元建立了管材热态自由气胀成形有限元模型,模拟分析了温度、压力、加载路径对管材自由胀形极限的影响,结果表明最佳胀形温度为800℃,压力为15 MPa,升压速率范围为0.1～0.6 MPa/s,升压至成形压力后,线性减压可提高胀形极限。总之,本文采用高温单轴拉伸实验、刚模胀形实验和微观组织观察,对TA15钛合金板材热变形行为和塑性损伤形成机理进行了研究,建立了耦合损伤的单轴拉伸本构模型。考虑应力状态对损伤的影响,将单轴模型推广至平面应力状态,实现了TA15钛合金板材高温成形极限预测。通过本构模型在Abaqus/Explicit中的二次开发,实现了TA15钛合金热成形过程的热-力-组织-损伤多场耦合数值模拟,为钛合金热成形极限预测与工艺优化提供了理论指导。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.23

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