钛合金多向锻造数值模拟
龚龙清;许川;袁宝国
【摘 要】目的 研究TC4钛合金在多向锻造过程中的变形行为.方法 基于Deform-3D模拟软件平台,对钛合金的多向锻造变形过程进行有限元模拟分析,研究不同工艺参数(锻造温度、锻造速度、锻造工步)下合金最大主应力、等效应变和载荷最大值的变化规律.结果 多向锻造的每工步锻造为典型的镦粗过程,坯料中心部位一直受压应力作用,鼓肚处则出现最大拉应力.随着锻造温度的升高和锻造速度的减小,最大压应力和拉应力均减小,多工步锻造之后合金主应力场分布更加均匀.随着锻造工步的增加,坯料等效应变增大且中心大变形区域体积分数增加.最大载荷随锻造温度的升高和锻造速度的降低而减小,相同参数下不同锻造工步的载荷最大值变化不大.结论 锻造温度、锻造速度、锻造工步对TC4钛合金多向锻造变形行为有显著的影响,适当选择多向锻造工艺参数,可以降低载荷并获得均匀性较好的坯料.
【期刊名称】《精密成形工程》
【年(卷),期】2016(008)006
【总页数】6页(P54-59)
【关键词】数值模拟;TC4钛合金;多向锻造
【作 者】龚龙清;许川;袁宝国
【作者单位】合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009;合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009;合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009
【正文语种】中 文 【中图分类】TG316
合金，该合金的使用量占到全部钛合金的一半以上。材料的性能和其组织状态紧密相关，利用大塑性变形的方法可以改善合金的组织结构。多向锻造技术（Multi-directional forging, MDF）作为大塑性变形的一种代表性工艺，与其他大塑性变形方法相比，具有工艺简单、成本低等优点[6—7]，使用现有工业设备就能完成。多向锻造技术最早是由Salishchev G A[8]等人提出，于20世纪60年代发展起来，其实质是在多次镦粗和拔长的自由锻过程中，锻造方向不断的发生变化。多向锻造技术已经运用于钛合金[9]、铝合金[10—11]、镁合金[12—13]和不锈钢[14]等材料组织性能的改善过程。有限元数值模拟分析的方法已经广泛应用于分析合金的加工变形中[15—16]。文章通过计算机数值模拟的方法，通过Deform-3D软件对钛合金多向锻造过程进行分析，研究不同工艺参数(锻造温度、锻造速度、锻造工步)下钛合金的变形规律，为实际钛合金的多向锻造实验提供参考依据。
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｔｒｅｎｇｔｈ２０２２，４４（４）：８３１⁃８３６ＤＯＩ：１０１６５７９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１９６６９．２０２２．０４．０１１
∗２０２１０１１５收到初稿，２０２１０３０６收到修改稿。∗∗方新文，男，１９７１年生，陕西周至人，汉族，中国飞机强度研究所高级工程师，主要从事飞行器结构强度基础技术研究工作。∗∗∗管佳佳（通信作者），男，１９９０年生，安徽芜湖人，汉族，中国飞机强度研究所中级工程师，现主要从事断裂失效方面的研究工作。ＴＣ４钛合金在准静态拉伸下的本构模型及失效参数∗ＣＯＮＳＴＩＴＵＴＩＶＥＭＯＤＥＬＡＮＤＦＡＩＬＵＲＥＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳＯＦＴＣ４ＴＩＴＡＮＩＵＭＡＬＬＯＹＵＮＤＥＲＱＵＡＳＩ⁃ＳＴＡＴＩＣＴＥＮＳＩＬＥ方新文∗∗ 管佳佳∗∗∗（中国飞机强度研究所，西安７１００６５）ＦＡＮＧＸｉｎＷｅｎ ＧＵＡＮＪｉａＪｉａ（ＡｉｒｃｒａｆｔＳｔｒｅｎｇｔｈＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａ，Ｘｉ′ａｎ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）摘要 高速碰撞有限元模拟中经常涉及材料的大变形和断裂过程。基于Ｊｏｈｎｓｏｎ⁃Ｃｏｏｋ断裂失效模型，设计了不同缺口尺寸的ＴＣ４钛合金试件，采用试验和有限元模拟相结合的方法研究了试样的断裂应变和应力三轴度。试验中制作了散斑，利用二维数字图像相关（ＤＩＣ）技术获取试件在室温准静态拉伸条件下的断裂应变；利用Ａｂａｑｕｓ软件对准静态拉伸过程进行模拟，获取各试件的平均应力三轴度。将断裂应变与平均应力三轴度进行拟合，得到了Ｊｏｈｎｓｏｎ⁃Ｃｏｏｋ断裂失效模型参数。将断裂失效模型参数带入Ｐａｍｃｒａｓｈ软件中进行仿真，对比试验和Ｐａｍｃｒａｓｈ仿真的断裂形貌和载荷位移曲线，两者均呈现出较好的一致性，验证了失效模型参数的正确性。关键词 ＴＣ４钛合金 应力三轴度 Ｊｏｈｎｓｏｎ⁃Ｃｏｏｋ断裂失效模型 断裂应变 ＤＩＣ测量技术中图分类号 ＴＨ１１４Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｏｆｔｅｎｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｃｏｌｌｉｓｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＪｏｈｎｓｏｎ⁃Ｃｏｏｋｆｒａｃｔｕｒｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｌ，ＴＣ４ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｎｏｔｃｈｓｉｚｅｓｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒａｉｎａｎｄｓｔｒｅｓｓｔｒｉａｘｉａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｅｓｔａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｓｐｅｃｋｌｅｗａｓｐｒｏｄｕｃｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒａｉｎｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｕｎｄｅｒｑｕａｓｉ⁃ｓｔａｔｉｃｔｅｎｓｉｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｗｏ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｉｇｉｔａｌｉｍａｇｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ（ＤＩＣ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＡｂａｑｕｓｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｑｕａｓｉ⁃ｓｔａｔｉｃｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｏｂｔａｉｎｔｈｅａｖｅｒａｇｅｓｔｒｅｓｓｔｒｉａｘｉａｌｉｔｙｏｆｅａｃｈｓａｍｐｌｅ．ＴｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＪｏｈｎｓｏｎ⁃Ｃｏｏｋｆｒａｃｔｕｒｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｌｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｆｉｔｔｉｎｇｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒａｉｎｗｉｔｈａｖｅｒａｇｅｓｔｒｅｓｓｔｒｉａｘｉａｌｉｔｙ．ＴｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｌｗｅｒｅｂｒｏｕｇｈｔｉｎｔｏｔｈｅＰａｍｃｒａｓｈｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｌｏａｄ⁃ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔａｎｄＰａｍｃｒａｓｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｅｄｇｏｏｄｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＴＣ４ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ；Ｓｔｒｅｓｓｔｒｉａｘｉａｌｉｔｙ；Ｊｏｈｎｓｏｎ⁃Ｃｏｏｋｆｒａｃｔｕｒｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｌ；Ｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒａｉｎ；ＤＩＣｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ：ＧＵＡＮＪｉａＪｉａ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ａ５９８４０３４８２＠１６３．ｃｏｍ，Ｔｅｌ：＋８６⁃２１⁃５８１５２１４５．Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔｒｅｃｅｉｖｅｄ２０２１０１１５，ｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２０２１０３０６． 引言 ＴＣ４钛合金具有优良的耐腐蚀性、低密度、高比强度及较好的韧性和焊接性等一系列优点，在航空航天、石油化工、造船与汽车等领域都得到广泛应用。钛合金材料在发生高速碰撞下容易发生断裂失效行为。准静态拉伸断裂是延性金属材料的一种典型的破坏形式［１⁃２］。金属结构在拉伸过程中会发生复杂应力状态下的失效、破坏，强度失效是最主要的失效行为［３］。而在强度失效中，由于断裂失效产生的破坏影响远比屈服失效大得多，所以对断裂失效的研究显得尤为重要；另一方面，经典强度理论更多适用于静载的简单应力状态，对于需要考虑平均应力作用效果的弹塑性断裂问题，使用时并不方便，因此建立一套适用于复杂应力状态下的断裂失效准则来处理金属的断裂失效问题显得尤为重要。材料的断裂失效过程是一个极其复杂的微观力学过程，在数值计算中，材料破坏模型和破坏参数的选取对于计算结果的合理准确性非常重要。当前存在许多破坏模型，其中在通用非线性计算商业软件中常用的 ８３２ 机 械 强 度２０２２年 延性金属断裂破坏准则有柔性损伤准则、最大剪切应力准则、Ｊｏｈｎｓｏｎ⁃Ｃｏｏｋ断裂模型、ＦＬＤ损伤准则、ＦＬＳＤ损伤准则、Ｍ⁃Ｋ损伤准则等［４］１６５７⁃１６６０。很多学者研究表明Ｊｏｈｎｓｏｎ⁃Ｃｏｏｋ断裂失效模型能够很好的模拟出材料的实际断裂失效过程，研究不仅可用于研究金属结构断裂问题，还可以用于研究在承受复杂应力下构件的损伤分布和发展［４］１６５７⁃１６６０［５⁃１０］。本文以ＴＣ４钛合金为研究对象，通过准静态拉伸试验，结合有限元仿真，研究ＴＣ４钛合金基于Ｊｏｈｎｓｏｎ⁃Ｃｏｏｋ断裂失效模型各参数之间的关系。首先对光滑试件和带缺口的板件标距段喷洒哑光漆（制造散斑），由于材料断裂过程是瞬间发生的，传统的测量难以进行，为此本试验采用数字图像相关（ＤＩＣ）技术对整个试验过程进行实时测量和数据记录，然后利用试验获取的材料参数对一系列准静态拉伸过程进行仿真计算，通过对比试验与仿真结果，验证仿真的合理性。１ ＴＣ４钛合金的力学性能试验１１ 常温准静态拉伸试验 试件采用ＴＣ４钛合金，其原材料的组成为Ｔｉ⁃６Ａｌ⁃４Ｖ，属于（α＋β）型钛合金，具有良好的综合力学机械性能。为了获取材料不同应力三轴度与断裂应变之间的关系，将坯料分别加工成如图１～图４所示试件，其厚度均为１６ｍｍ。图１ 光滑试件Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｓｍｏｏｔｈｓａｍｐｌｅ图２ 缺口１试件Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｎｏｔｃｈ１ｓａｍｐｌｅ图３ 缺口２试件Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｎｏｔｃｈ２ｓａｍｐｌｅ室温下，准静态拉伸试验在型号为Ｚｗｉｃｋ／ＲｏｅｌｌＺ２５０静力试验机上进行，ＤＩＣ设备采用ＧＯＭＡＲＡＭＩＳＡｄｊｕｓｔａｂｌｅ６Ｍ进行应变测量，应变精度可达５０με，试验安装如图５所示。。拉伸试验均按照ＡＳＴＭＥ８《
TC4-DT钛合金β锻动态再结晶元胞自动机模拟
刘诚;董洪波
【摘 要】通过对TC4-DT钛合金β单相区的等温恒应变速率压缩实验,分析合金的动态再结晶行为,并建立合金的动态再结晶的元胞自动机模型(CA模型).在DEFORM-3D平台上,采用CA法模拟TC4-DT钛合金压缩过程中的显微组织演变.结果表明:随着应变量的增加动态再结晶的发生越来越充分;试样不同部位发生的动态再结晶程度有所不同,中心区域发生的动态再结晶更充分,很好地细化了原始组织;动态再结晶行为随着应变速率的增大而逐渐被抑制,但晶粒尺寸反而减小;模拟结果与实验结果相当吻合.
【期刊名称】《航空材料学报》
【年(卷),期】2015(035)002
【总页数】7页(P21-27)
【关键词】TC4-DT钛合金;动态再结晶;元胞自动机
【作 者】刘诚;董洪波
【作者单位】南昌航空大学航空制造工程学院,南昌330063;南昌航空大学航空制造工程学院,南昌330063
【正文语种】中 文
【中图分类】TG311;V261.3+2
TC4-DT钛合金具有中等强度、高韧性、高塑性和长疲劳寿命等良好的综合性能［1］，广泛应用于航空工业中。热变形后的显微组织决定了其优良的力学性能，因此对于预测和控制变形件的显微组织显得至关重要。材料热变形过程中发生动态再结晶可以改善变形金属的显微组织和力学性能［2］，通过合理的热变形工艺优化，进而控制材料热变形过程的动态再结晶行为来实现对材料显微组织的调控。利用实验进行变形工艺参数优化的实验成本较高，且实验周期也长而采用有限元模拟技术可以高效地模拟出合金变形工艺参数及显微组织。很多研究人员对变形过程中的动态再结晶行为进行了大量实验及理论上的研究。佟铭明等［3］用Monte
Carlo法对纯铜动态再结晶过程进行了模拟，建立了一种基于能量判据的确定动态再结晶各个阶段临界应变的方法。Rollett等［4］也用Monte Carlo方法对动态再结晶的微观组织演化进行模拟，但由于Monte Carlo的局限性，模拟考虑的影响因素较少。
收稿日期：2023-04-18作者简介：李博（1987-），男，辽宁沈阳人，副教授，博士，
主要从事物理过程的计算机模拟方面的研究。钛合金等通道转角挤压工艺的仿真分析
李博，丁小雪，于德军
（鞍山师范学院物理科学与技术学院，辽宁鞍山114005）
摘要：本文采用刚粘塑性有限元法对钛合金的等通道转角挤压过程进行仿真模拟，研究了
挤压过程的流变变形分布、应变分布和应力分布的特点，给出了不同外弧过渡角时的详细分布
结果。结果表明：经典的总应变量主要由沿转角对角线方向的切应变提供；计算公式仅在外弧
过渡角较小时比较准确，外弧过渡角较大时，必须考虑应变的不均匀性和过程的复杂性；通过
优化，作为难变形材料的钛合金的等通道转角挤压工艺是可以实现的。
关键词：有限元；钛合金；等通道转角挤压；应变
中图分类号：TG376.2文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0092-05DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.03.017第19卷第3期
2023年7
月Vol.19No.3
Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）JournalofShenyangInstituteofEngineering（NaturalScience）
金属材料的晶粒组织影响材料的使役性能。
通常情况下，晶粒越细微，金属材料的性能越好。在
材料铸造过程中，破碎粗大晶粒的经典加工工艺是
镦拔工艺，通过反复的镦粗和拔长进行开坯锻造，破
碎粗大晶粒，改善材料性能。镦拔工艺采用压力使
工件发生塑性变形，在工件中产生的应变主要是正
应变，切应变量较少。晶粒细化主要由切应变控制，
晶粒通过剪切力被破碎为亚晶，亚晶继续破碎和再
结晶，进一步生成细小晶粒。要实现晶粒细化，就要
加大总的变形量，这就要求工件的材料具有良好的
塑性。钛合金因塑性较差，明显不宜采用镦拔工艺。
等通道转角挤压（ECAP）加工工艺是在转弯
的横截面积不变的通道中通过挤压强制工件塑性
