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TC6钛合金复杂微观组织的三维模型构建及其静/动态力学行为数值模拟研究

【摘要】:钛合金具有低密度、高强度、良好的耐热及耐蚀性等诸多优异性能,但其静/动态力学性能对微观组织十分敏感。由于微观组织内部的各组成相因热加工及热处理工艺参数不同而呈现出不同的相比例、相尺寸、相形态、相分布等复杂特征,使得对钛合金力学性能的精确调控十分困难。建立基于微观组织预测材料力学行为的数值模拟方法,对于揭示材料的力学响应过程及内在机理、优化工艺参数具有重要意义。然而传统的基于二维微观组织的数值模拟方法并不能反映钛合金微观组织在三维(Three Dimensional,简称3D)空间的复杂分布特征,很大程度上影响了计算结果的可靠性。基于此,本文以典型的TC6钛合金为研究对象,围绕其复杂微观组织的三维模型构建及静/动态力学行为数值模拟等方面内容进行了较为系统和深入的研究。通过Python高级编程语言,基于ANSYS/LS-DYNA大型商用有限元软件自主开发了5款操作简单、高效、专业性强的软件,为基于TC6钛合金3D微观组织的静/动态力学行为数值模拟研究提供了可靠的技术支撑。相关软件如下:(1)基于显微组织图像的有限元建模软件(MF),解决了材料微观组织有限元网格模型构建过程繁琐且网格尺寸不均一的难题;(2)基于纳米压痕测试的双折线材料本构获取软件(BCN),解决了合金单相准静态力学本构参数难以获取的难题;(3)基于显微组织结构的有限元求解软件(MFES),解决了相关有限元求解过程操作过于繁杂的难题;(4)动态力学本构参数校核软件(DMCPV),有效提高了材料动态本构模型参数的可靠性;(5)宏-微观跨尺度模拟软件(MCMS),可高效计算宏观结构件局部微区微观组织的力学响应行为。实现了TC6钛合金复杂微观组织的3D模型重构、定量表征及有限元网格模型的构建。采用双能扫描技术,克服了TC6钛合金组成相之间吸收衬度差别过小的难题,在实验室光源Micro-CT上首次成功获取了TC6钛合金3D相组织模型并开展了定量分析研究。发现初生α相、次生α相和β相体积分数分别为28.32%、48.78和23.90%,且成功获取了TC6钛合金各组成相的空间分布,形状和连通性等复杂的微结构信息:初生α相结构由在3D空间离散分布的单个等轴晶粒和互相搭接在一起的多个等轴晶粒组成,单个等轴晶粒的数量占了总体的50%;次生α相和β相在3D空间内互相交织在一起,呈网状结构分布。通过所构建的MF软件将图像像素点阵与有限元网格的单元建立一一映射关系,成功获得了反映相结构分布特征的TC6钛合金3D相组织有限元网格模型;通过所提出的网格随机分割算法,在3D相组织网格模型基础上,获得了反映晶体取向信息的3D晶粒组织有限元网格模型。基于所获得的TC6钛合金3D微观组织有限元网格模型,再现了微观组织模型内部应力/应变在3D空间内的演化过程,揭示了微结构特征对材料弹塑性变形过程影响规律。通过同步辐射原位拉伸试验、纳米压痕测试技术结合单相自洽拟合算法,首次成功获取了TC6钛合金三相双折线本构参数,并将其应用于3D相组织准静态拉伸模拟中。研究发现,在材料弹塑性转变过程中,等效应力峰值从初生α相转移到次生α相再到β相;而塑性应变则一直在初生α相内集中。随着变形继续,应力峰值重新转移到初生α相内,而塑性应变则集中在初生α相界面处,表明此处易导致微裂纹萌生。此外,基于3D晶粒组织准静态拉伸模拟结果表明,晶粒取向对模型内部等效应力集中有显著影响,等效应力峰值首先出现在取向沿加载方向等效模量较大的晶粒内。基于所构建的宏-微观跨尺度关联数值模拟方法,再现了TC6钛合金宏观圆柱型动态压缩试样(Ф5 mm×5 mm)内局部微区的绝热剪切变形过程,探明了3D微观组织在高应变率复杂受力状态下的演变过程及内在机理。通过提取宏观试样绝热剪切变形区域内的载荷信息并施加到3D微观组织模型边界,实现了宏-微观跨尺度模拟。模拟结果表明,在宏观模型承载应力塌陷之前,微观组织模型内部各相力学行为差异显著,?相对材料的整体强度贡献最高,而初生α相对塑性贡献最高;当宏观模型承载应力塌陷后,剪切带内部三相的力学行为差异迅速消失,且最终形成的剪切带宽度为5μm,与SEM观察结果一致。进一步通过热力耦合计算发现剪切带内温度达到780℃左右,超过了TC6钛合金的再结晶温度(680℃),为其微观组织发生动态再结晶提供了动力。

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