WSTi3515S阻燃钛合金超塑性变形的多尺度模拟研究

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WSTi3515S阻燃钛合金在适当的变形条件下,具有良好的粗晶超塑性。该合金在超塑性变形过程中存在多尺度效应:宏观层面上的应力、应变变化;细观层面上的多晶整体响应及晶界效应;微观层面上的微观组织演变等。多尺度效应不仅反映了WSTi3515S钛合金的力学性能,还可以揭示其变形机制。目前对WSTi3515S阻燃钛合金超塑性能的研究主要集中在试验方面,通过研究变形行为和显微组织演变规律确定获得良好超塑性的工艺参数。然而试验研究无法描述变形的动态演化过程,难以揭示超塑性变形过程中复杂的微观物理现象。因此本文通过建立多尺度模型来模拟WSTi3515S阻燃钛合金的超塑性拉伸变形行为,深入研究该合金超塑性变形的力学行为及组织演变规律,主要研究的内容与结果如下:分析了WSTi3515S阻燃钛合金在超塑性拉伸变形过程中材料的宏观力学响应和细观应力分布。在变形开始,首先发生中心位置的塑性流动,此处流动应力迅速升高;随着应变的增大,中心位置的流动应力受其它位置应力的牵制,从中心区域向四周发展,最终达到一定的平衡,从而实现变形的均匀化。该合金的变形行为受温度、应变速率和变形量影响较大,温度越高,应变速率越低,变形量越大,应力应变的分布越均匀,因此高温低应变速率能够有效地缓解应力集中,使变形持续均匀地进行,从而获得较好的超塑性。研究了晶界在多晶模型中的整体效应及协调作用。变形伊始,晶界处的应力明显大于晶粒内部,晶界易成为应力集中区,随着变形的继续,晶界区域开始出现软化,直至晶界应力完全小于晶粒内部的单元平均应力,从而协调了晶界处的变形;在整个变形过程中,晶界处的塑性应变总是大于晶内的塑性应变量,随着变形的继续,晶内对变形贡献越来越显著,说明晶界和晶内共同参与变形;而不同的晶界厚度对变形的影响也不同,晶界相对厚度增大,单位晶界面积所承受的力小,晶界处和晶内的应变差小,促进了晶内的协调变形,从而提高材料整体变形的能力。探究了WSTi3515S阻燃钛合金超塑性拉伸变形过程中晶粒尺寸的变化规律。在整个变形过程中,晶粒大小是均匀的有规律的轴对称分布;在变形过程中,平均晶粒尺寸先减小而后增大,这是因为再结晶晶粒发生变化,而单位晶界面积也随之变化,单位晶界面积的增多使得晶界参与协调变形的作用越大,更有利于该合金的超塑性变形;提高变形温度,减小应变速率,能够促进动态再结晶,从而使材料塑性变形能力增强;该合金微观组织模拟变形过程中晶粒变化趋势与试验基本符合,因此WSTi3515S阻燃钛合金超塑性拉伸变形的微观组织模拟具有一定的参考价值。
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