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科学通报 2022年第11期67卷 1036-1053页

作者：赵明杰邓磊孙朝远黄亮王新云郑志镇李蓬川刘德建温东旭李昌民曾嵘陈荣创郭鹏周芃姜静张晗章晓婷李旭阳李建军华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司德阳618000

高强钢大型构件是国防工业和国民经济中高端装备的关键承力构件,其质量直接关系着高端装备的使用性能及服役安全.高强钢大型构件往往结构尺寸大、形状复杂,锻造成形过程中变形道次多,使得在变形过程中材料的软化机制多且复杂、温度分布... 详细信息

高强钢大型构件是国防工业和国民经济中高端装备的关键承力构件,其质量直接关系着高端装备的使用性能及服役安全.高强钢大型构件往往结构尺寸大、形状复杂,锻造成形过程中变形道次多,使得在变形过程中材料的软化机制多且复杂、温度分布差异大、流动行为难控,进而使得其形性协调难控制.因此,有必要开展高强钢大型构件锻造中的变形机理及工艺研究.本文综述了本团队联合中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司(下文简称“二重万航”),围绕高强钢大型构件全流程锻造变形机理及工艺所做的研究工作.在机理方面,讨论了高强钢大型构件全流程锻造微观演化机制及宏微观建模与模拟.在工艺方面,讨论了材料热加工性能评估方法、毛坯-预锻件联合优化设计方法及局部控温控流工艺.在应用方面,介绍了二重万航基于上述理论指导及技术支持,实现不同机型起落架外筒及活塞杆成功研制实例,突破了大型构件整体模锻技术所面临的难题.最后对大型构件锻造机理及工艺进行了总结和展望.

关键词：高强钢大型构件锻造工艺再结晶机制本构模型宏微观模拟

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AZ31镁合金高应变速率轧制宏微观仿真

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材料导报 2021年第14期35卷 14101-14106,14114页

作者：刘筱王洋洋叶俊宏朱必武杨辉胡铭月唐昌平刘文辉湖南科技大学高温耐磨材料及制备技术湖南省国防科技重点实验室湘潭411201 湖南科技大学材料科学与工程学院湘潭411201

本工作通过构建宏观有限元模型和微观动态再结晶模型,对AZ31镁合金在300~400℃、平均应变速率为10~29 s^(-1)的条件下进行高应变速率轧制宏微观模拟。对比实验结果的结论如下:随着平均应变速率的增加,模拟的轧板宽度方向等效应力差值和... 详细信息

本工作通过构建宏观有限元模型和微观动态再结晶模型,对AZ31镁合金在300~400℃、平均应变速率为10~29 s^(-1)的条件下进行高应变速率轧制宏微观模拟。对比实验结果的结论如下:随着平均应变速率的增加,模拟的轧板宽度方向等效应力差值和宏观边裂长度都减小,等效应力差值越大,边裂长度越长,宏观模拟结果与实验一致;采用微观动态再结晶模型、宏观有限元历史加载耦合元胞自动机(CA),模拟AZ31镁合金高应变速率轧制中的动态再结晶过程,微观模拟结果与实验吻合;随着平均应变速率的增加,再结晶越完全,使得应力集中被释放,边裂长度减小。通过建立AZ31镁合金高应变速率轧制多尺度宏微观仿真模型,能够精确模拟仿真高应变速率轧制过程,对镁合金高应变速率轧制的精确控制提供了新的思路。

关键词： AZ31镁合金高应变速率轧制有限元动态再结晶模型宏微观模拟

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铝铜合金高冷速凝固组织细化与偏析改善研究

铝铜合金高冷速凝固组织细化与偏析改善研究

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作者：孔翔中北大学

学位级别：硕士

对于采用传统铸造方法的铝铜合金而言,其糊状凝固的特性会导致严重的偏析和热裂纹等缺陷。因此,传统的铸造技术在制造高质量铝铜合金仍存在较多的弊端。目前对铝铜合金的性能改善一般是在其中添加微纳颗粒或者提高合金在凝固过程中的冷... 详细信息

对于采用传统铸造方法的铝铜合金而言,其糊状凝固的特性会导致严重的偏析和热裂纹等缺陷。因此,传统的铸造技术在制造高质量铝铜合金仍存在较多的弊端。目前对铝铜合金的性能改善一般是在其中添加微纳颗粒或者提高合金在凝固过程中的冷却速率从而限制其晶粒的生长和枝晶的搭接。本文以Al-Cu合金为例,在其中添加了树脂砂型、冷冻砂型和冷冻-消融三种冷却速率下制备的Al-TiB2和Al-Nb B2中间合金,并结合凝固过程的相场和应力等仿真模拟分析,探究了微纳颗粒在不同冷速下对合金的凝固组织和性能的影响,分析了高冷速下铝铜合金的偏析产生机制。为大型铝铜合金铸件的劣势消除及传统砂型制备工艺的改良提供了一定的理论基础,论文的主要工作及研究成果如下:（1）探究了常规树脂砂型、冷冻砂型和冷冻-消融工艺的冷却速率差异与凝固组织的对应关系。通过实际测量熔体的冷却速率,对比Pro CAST软件的模拟结果,采用冷冻-消融工艺的平均冷却速率为30K/s,最快处达到了44K/s,常温树脂砂型和冷冻砂型的冷却速率仅为0.68K/s和1.35K/s。随着冷却速率的提高及颗粒的加入,合金的平均晶粒尺寸显著下降。添加Nb B2颗粒后,合金的平均晶粒尺寸下降到69μm。TiB2颗粒的细化效果优于Nb B2颗粒,合金的平均晶粒尺寸下降到42μm,合金的的二次枝晶臂间距也分别减小了66%和78%。（2）研究了常规树脂砂型、冷冻砂型和冷冻-消融工艺下颗粒的形貌变化及对合金性能的影响。研究发现高冷速下颗粒的分布更为弥散,两种颗粒的标准形态均为正六棱柱,通过基于边对边模型的取向关系计算,两种颗粒与合金基体的匹配度都较好。添加TiB2颗粒的合金在冷冻-消融工艺下拉伸性能提升了15.2%,流动性从477mm提升至514mm,热裂指数HCS从176下降至24。添加Nb B2颗粒的合金的拉伸性能从441MPa提高至494MPa,流动性从489mm提升至579mm,热裂指数HCS从144下降至12。合金的流动性及热裂性能在添加颗粒后都有改善,合金的工艺性能受颗粒的尺寸的影响较大,而Nb B2颗粒的尺寸仅有TiB2颗粒的50%,故Nb B2颗粒对合金的流动性改善比TiB2颗粒要好。（3）分析了在不同冷速下合金的宏观偏析影响机制。通过采用不同冷速浇铸大型铸件,结合Pro CAST软件的固相率,凝固时间和拉应力模拟,Al-Cu的大型铸件会出现大量的宏观偏析,即可能发生的热裂点和微观缩孔,但是在采用冷冻-消融铸造工艺后宏观偏析几乎不可见。此外研究结果表明Al-Cu大型铸件发生宏观偏析的原因是铸件在凝固阶段发生撕裂,枝晶补缩受阻和高溶质的液相聚集。通过大幅度提高铸件的冷却速率可以细化晶粒,阻止高溶质液相聚集从而减少宏观偏析的出现。

关键词：冷冻铸造高冷速凝固砂型铸造宏微观模拟微纳颗粒宏观偏析

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AZ31镁合金高应变速率轧制及组织性能研究

AZ31镁合金高应变速率轧制及组织性能研究

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作者：王洋洋湖南科技大学

学位级别：硕士

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高等诸多优点,在交通运输车辆、航空航天、通讯和电子等领域具有广泛的应用前景。轧制广泛用于制备大尺寸的镁合金板材,但普通轧制存在生产效率低、成本相对较高等问题。针对普通轧制存在的问题,国内... 详细信息

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高等诸多优点,在交通运输车辆、航空航天、通讯和电子等领域具有广泛的应用前景。轧制广泛用于制备大尺寸的镁合金板材,但普通轧制存在生产效率低、成本相对较高等问题。针对普通轧制存在的问题,国内外学者提出一种高效短流程制备细晶镁合金的方法—高应变速率轧制。高应变速率轧制可实现单道次大塑性变形,显著提升了镁合金轧制过程的效率,但其仍存在边裂和各向异性等问题。本文构建AZ31镁合金高应变速率轧制宏微观模型,展开宏微观仿真,研究了组织对边裂的影响,揭示边裂形成机理,分析高应变速率轧制组织与性能的关系。论文得到的主要结论如下:（1）构建宏观有限元模型和微观再结晶模型,并将宏观有限元历史加载、微观再结晶模型耦合元胞自动机（Cellular Automata:CA）展开高应变速率轧制的宏微观模拟,准确模拟高应变速率轧制板材的宏观损伤分布、宏观边部和心部的等效应力差异和微观动态再结晶过程。利用宏微观相结合的多尺度模拟结果指导高应变速率轧制过程。（2）在高应变速率轧制过程中,由于轧板受到温升和应变速率综合因素的影响,轧制板材的晶粒尺寸变化存在波动;随着平均应变速率的增加,再结晶更加完全。高应变率轧制织构弱于典型的传统轧制织构。温度为400℃、平均应变速率10s-1、15s-1、20s-1和29s-1轧制板材的基面的最大极密度值分别为8.04、12.94、7.60和8.75。（3）轧板边裂随着平均应变速率的增加受到了抑制,其原因为:随着平均应变速率增加,再结晶过程趋于完全,裂纹扩展的能量被消耗,抑制裂纹扩展;随着平均应变速率增加,轧板边部和心部的等效应力差值减小。在高应变速率轧制时,尖锐裂纹尖端发射位错,位错加速了亚晶的形成,小角度亚晶转变为具有大角度晶界的再结晶晶粒,导致裂纹尖端晶粒细化以及裂纹钝化。在钝化裂纹边缘附近,晶界尤其是三晶交界处应力集中,导致孔洞形核,孔洞的合并和长大形成裂纹,裂纹进一步扩展,最终连接到钝化裂纹尖端边缘,导致钝化裂纹二次开裂。（4）当高应变速率轧制镁合金微观组织中,存在沿着轧制方向拉长晶粒,导致明显的各向异性。通过400℃下的高应变速率轧制的板材,其屈服强度变化趋势与二阶锥面滑移的临界剪切应力（CRSS,Critical Resolved Shear Stress）和平均斯密特因子（m）的比值CRSS/m变化趋势相同,可知屈服强度的各向异性主要由二阶锥面滑移的（CRSS/m）比值决定;抗拉强度的各向异性与c轴朝向轧向（Rolling Direction,RD）的倾斜角相关,轧向（RD）和横向方向（Transverse Direction,TD）的抗拉强度之差随倾斜角的增加而增加。（5）高应变速率轧制板材断口存在大量的韧窝和撕裂棱,其断裂方式以韧性断裂为主。轧板的杯突值受到组织均匀程度的影响,组织均匀则杯突值高,但平均应变速率为10s-1时,板材的杯突值异常,与剪切带的形成有关。

关键词： AZ31镁合金高应变速率轧制边裂微观组织力学性能宏微观模拟

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