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专利号: 2021100433722
申请人: 重庆大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2025-04-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法,其特征在于,包括如下步骤:引入关键评判指标储能来协调优化热塑性变形工艺参数获得匀细化、低能晶界密度高的组织;为参数化衡量不同热塑性变形参数下储能与晶粒尺寸的演变规律,建立储能与平均晶粒尺寸的响应关系:

式中,Es表示材料在热塑性变形过程中的平均应变能,即储能;D表示平均晶粒尺寸;n表示晶粒尺寸的相关指数,范围为0.4~0.8;c3、c4均为常数;

获取实验数据:

选取待测材料的试样并完成等温热压缩实验,然后迅速进行淬火处理以保留试样的高温微观组织;然后对试样进行微观组织表征,采用背散射衍射EBSD对热塑性变形后的微观组织形貌及晶粒取向和晶界分布特征进行观察:获得不同热塑性变形参数下含有低能晶界的晶界分布图,以及不同热塑性变形参数下的KAM图;

根据所述晶界分布图计算不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸以及不同热塑性变形参数下的低能晶界密度;根据所述KAM图计算不同热塑性变形参数下的储能;

挖掘响应关系,构造不同热塑性变形参数与物理量的映射图谱:基于所述KAM图获得储能值并建立不同热塑性变形参数下的储能的等高线图,同时叠加相应热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸的等高线图,建立储能与平均晶粒尺寸的等高线叠加图,进一步揭示不同热塑性变形参数下储能与平均晶粒尺寸的关系;基于所述晶界分布图获得低能晶界密度值并建立不同热塑性变形参数下的低能晶界密度的等高线图,同时叠加储能的等高线图,建立低能晶界密度与储能的等高线叠加图,进一步揭示不同热塑性变形参数下低能晶界密度与储能的关系;基于不同热塑性变形参数下的低能晶界密度的等高线图,叠加平均晶粒尺寸的等高线图,建立低能晶界密度与平均晶粒尺寸的等高线叠加图,进一步揭示不同热塑性变形参数下低能晶界密度与平均晶粒尺寸的关系;

建立模型:

利用所述不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸以及所述不同热塑性变形参数下的储能,并根据所述储能与平均晶粒尺寸的响应关系拟合得到常数c3与c4,从而得到待测材料的储能与平均晶粒尺寸的响应模型;

利用不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸、不同热塑性变形参数下的低能晶界密度以及不同热塑性变形参数下的储能,基于growth accident model理论,以经典Pande模型为基础,建立待测材料在热塑性变形过程中以储能和平均晶粒尺寸为变量的低能晶界密度响应关系,并结合所述待测材料的储能与平均晶粒尺寸的响应模型,建立待测材料的低能晶界密度演化模型;

重复以下步骤,直到找到合适热塑性变形参数以满足要求:通过建立热塑性变形有限元模型,模拟分析动态采集在外部复杂条件加载下产生的变形基本参数场量如温度场、应变速率场;基于耦合的晶粒尺寸和低能晶界密度的核心子程序,根据动态再结晶模型或晶粒长大模型计算晶粒尺寸,所述低能晶界密度演化模型根据平均晶粒尺寸计算出储能与低能晶界密度,并在有限元模拟软件中得到包括平均晶粒尺寸、储能和低能晶界密度在内的场量分布图,以对热塑性变形过程中的低能晶界密度和平均晶粒尺寸进行预测和监控;

通过平均晶粒尺寸和低能晶界密度的场量分布图观察平均晶粒尺寸和低能晶界密度是否符合要求,若是,则根据当前热塑性变形参数下的外部加载条件继续对坯料进行热塑性变形模拟;若否,则将当前基本变形参数与不同热塑性变形参数下的物理量的映射图谱进行实时对比,包括储能与平均晶粒尺寸的等高线叠加图、低能晶界密度与储能的等高线叠加图、低能晶界密度与平均晶粒尺寸的等高线叠加图,获取低能晶界密度与平均晶粒尺寸分别随储能的变化趋势,搜寻能使低能晶界密度与平均晶粒尺寸协调优化的储能,并根据搜寻到的储能获取相应的热塑性变形参数,并重新修改外部加载条件满足寻优后的热塑性变形参数,再继续执行有限元模拟,这一动态迭代过程持续至成形结束。

2.根据权利要求1所述的低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法,其特征在于,当动态再结晶体积分数达到95%时,采用晶粒长大模型计算晶粒尺寸;当动态再结晶体积分数小于95%时,采用动态再结晶模型计算晶粒尺寸;采用Channel 5软件对不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸进行统计计算;采用图像统计法对低能晶界密度进行计算。

3.根据权利要求1所述的低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法,其特征在于,用于Ni80A超合金,并且低能晶界密度演化模型如下:式中, 表示低能晶界密度,表示应变速率,常数c3与c4采用多项式函数拟合得到。

4.根据权利要求1所述的低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法,其特征在于,在展示低能晶界密度情况时,一并通过相应的场量分布图展示温度分布情况、动态再结晶体积分数分布情况、平均晶粒尺寸分布情况与储能分布情况;通过实时监控热塑性变形过程中的温度、晶粒尺寸、储能和低能晶界密度,对热塑性变形参数进行调控以获得匀细化和高低能晶界密度组织。

5.根据权利要求1所述的低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法,其特征在于,建立的不同热塑性变形参数与物理量的映射图谱,包括储能与平均晶粒尺寸的等高线叠加图、低能晶界密度与储能的等高线叠加图、低能晶界密度与平均晶粒尺寸的等高线叠加图;在相对低的温度下,无论应变速率高还是低,晶粒尺寸都小,但是在相对高的应变速率和相对低的温度区间内晶粒尺寸小而低能晶界密度一定高;在相对高的应变速率和相对低的温度区间内储能高且低能晶界密度高。在协调优化塑性变形工艺参数时应符合储能高、晶粒尺寸小特点,才能确保低能晶界密度高;在温度高且应变速率低时,若晶粒尺寸大,储能小,低能晶界密度低,则降低热塑性变形的温度以获得晶粒小、储能高和低能晶界密度高的组织。

6.一种低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化系统,其特征在于:包括低能晶界密度演化模型、低能晶界密度预测及分析系统、有限元模型与参数调控模块;

所述低能晶界密度演化模型用于根据平均晶粒尺寸与储能计算低能晶界密度;

所述低能晶界密度预测及分析系统用于输入包括温度、应变速率和应变在内的热塑性变形参数,以解析计算动态再结晶体积分数、平均晶粒尺寸、储能和低能晶界密度;

所述低能晶界密度预测及分析系统还用于耦合晶粒尺寸计算模型与低能晶界密度演化模型,以根据结合热塑性变形参数计算晶粒尺寸,并基于晶粒尺寸计算出平均晶粒尺寸以用于计算低能晶界密度,并生成低能晶界密度和晶粒尺寸的子程序文件;所述晶粒尺寸计算模型包括动态再结晶模型与晶粒长大模型;

所述有限元模型用于对热塑性成形过程进行有限元模拟,通过植入所述子程序文件到有限元模型中,实现对热塑性变形过程中的低能晶界密度与平均晶粒尺寸进行监测;

所述参数调控模块用于对热塑性成形加载条件进行调控以实现对基本变形参数的调控,基于建立的不同热塑性变形参数与物理量的映射图谱,识别出储能高、晶粒小、低能晶界密度高的热塑性变形工艺参数区间,实现晶粒尺寸和低能晶界密度的协调优化,最终获得匀细化、低能晶界密度高的组织。

7.根据权利要求6述的低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化系统,其特征在于:用于Ni80A超合金,并且动态再结晶模型、晶粒长大模型与低能晶界密度演化模型分别如下;

动态再结晶模型:

式中,Xdrx是动态再结晶体积分数;εc是临界应变;εp是峰值应变;ε0.5是动态再结晶体积分数达到50%时的应变;Q是动态再结晶下的变形激活能;ddrx是动态再结晶晶粒尺寸;d0表示初始晶粒尺寸;R为阿伏伽德罗常数;T是温度;a、βd、kd、h、n和m均为系数;

晶粒长大模型:

式中,Q1是晶粒长大下的变形激活能;d是长大后的晶粒直径;m1和a4均为系数;

平均晶粒尺寸D的计算方式如下:

低能晶界密度演化模型:

式中, 表示低能晶界密度;Es表示材料在热塑性变形过程中的平均应变能即储能;D表示平均晶粒尺寸;n表示晶粒尺寸的相关指数,范围为0.4~0.8;c3、c4均为常数;表示应变速率。