钛合金Ti-6Al-4V马氏体相变过程的数值计算方法及其在模拟高速切削过程中的应用

发布时间：2017-12-08 08:06

  本文关键词：钛合金Ti-6Al-4V马氏体相变过程的数值计算方法及其在模拟高速切削过程中的应用

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【摘要】：钛合金由于具有低密度、高强度、耐腐蚀和良好的高温力学性能等特性而被广泛地应用在航空航天和汽车领域。Ti-6Al-4V合金是应用最广泛的钛合金,在瞬时高温作用下会发生由密排六方(HCP)的α相到体心立方(BCC)的β相的非扩散型马氏体相变。因为相变对材料的宏观力学行为有很大的影响,所以研究钛合金的相变过程十分必要,有助于理解该类合金在高应变率条件下的宏观热力耦合响应。为了研究Ti-6Al-4V合金由于应力和温度诱导的相变,本文构造了一个三维的非扩散相场数值计算模型。用一个在时间和空间上连续的标量序参量来表征β相在无限小的区域内所占的体积分数。通过金兹堡-朗道热力学势得到了:控制微观结构演变的动力学方程——与时间相关的金兹堡-朗道(TDGL)方程和考虑相变的热传导方程。基于克劳修斯-杜亨不等式证明了相场模型与热力学第二定律的一致性。为了将系统的微分方程组有限元化,本文对方程组的离散过程进行了推导,同时利用ABAQUS用户子程序开发了考虑大变形、热力耦合和动态载荷的计算程序,并且通过单轴拉伸、纯剪切和绝热温升三个简单的算例验证了该相场模型在描述Ti-6Al-4V合金由应力和温度诱导相变的能力。通过计算结果发现,构造的相场模型能够恰当地描述应力和温度诱导的相变过程。为了能够模拟金属高速切削过程中切屑内由于局部应力和温度引起的相变过程。本文通过引入内聚力单元并结合相场模型,分别研究了在不同切削速度的条件下Ti-6Al-4V合金的序参量和温度的演变过程。研究发现:在切削的起始阶段,由于切削的不稳定性切屑内不会发生相变,随着切削速度的提高,这种不稳定性的影响越来越弱;随着切削速度的提高,切屑内的新相所占的比例逐渐增加,同时温度逐步上升;产生的新相、温度与切削速度近似成对数增长关系。本文依据金兹堡-朗道热力学势,构造了用于描述由应力和温度诱导相变的相场模型,考虑了大变形、热力耦合和动态载荷等因素,用来模拟了在单轴拉伸、纯剪切和绝热温升的情况下,Ti-6Al-4V合金内的相变过程。通过数值计算,对模型的正确性和适用性进行了评估和验证;并利用模型对高速切削过程中Ti-6Al-4V合金的相变和温度演变过程进行了数值计算;获得了一些初步的成果。为进一步将这一模型应用到研究金属高速切削过程打下了基础。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.23

【参考文献】

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1 侯金健;高强强;安晓婷;;国内外高温钛合金研究及应用的最新发展[J];热加工工艺;2014年10期

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本文编号：1265632