熱成型過程中微觀組織演變統一本構模型的建立

摘 要：

在金屬熱加工過程中，材料會發生粘塑性變形。在成形過程中，材料的微觀組織會發生動態變化，在成形間隙或者后期材料的微觀組織會發生靜態變化。現代技術要求能夠預測成型部分的微觀組織。在文中，會展示由材料學家們提出的各種各樣的模型，他們可以用來模擬個體微觀物理因素，例如在靜態和動態過程中晶粒尺寸的成大、位錯密度的增加、回復、再結晶以及沉積物的溶解。現代技術已經將基于微觀結構的因子應用于塑性流變模型中，形成了一套統一的塑性流變方程。通過子程序，可以用來模擬在熱加工過程中微觀組織的變化。在本篇論文中詳細敘述三種模型，他們模擬了在超塑性過程中晶粒尺寸的成大、在熱軋制過程中微觀組織的變化、熱處理后沉積物的溶解以及這些變化對鋁合金塑性流動的影響。

關鍵詞：熱成型;微觀組織;本構模型

前 言

所有的金屬工程材料都有一種特定的微觀結構，這種結構是在高溫處理過程中或者高溫處理后形成的。材料熱成型部分的機械性能很大程度上依賴于其微觀組織和微觀組織的變化，能否加工出高質量的材料取決于微觀組織的控制能力[1]。不同的情形有不同表現，或者是不同的組成，或者是不同的晶體結構，或者是晶粒尺寸的成大和晶粒的取向不同，或者是不同區域內的不同結構變形體，例如結構缺陷（在成形過程中形成的位錯、縮孔）[2]。在過去的幾十年里，在研究微觀結構模型領域科學家們已經做出了巨大的努力。本篇論文介紹了物理變量的作用和粘塑性材料模型的內部變量耦合，形成了基于物理的，統一的粘塑性本構方程組。下面介紹一些應用統一模型來演化在高/低溫成形過程中微觀結構變化的實例。

1.個體微觀因素的建模各種機械熱加工條件下，在確定個別組織變量演化的主要動力方面已作出重大努力，許多物理變量的基礎已經被廣泛認識和多種類型的模型已經正確預測出個別微觀組織參數的演變。在形變過程中普遍應用的模型將在下面介紹。

1.1六系鋁合金熱處理過程中沉積物的溶解

在六系鋁合金的熱處理過程中，沉積物會溶解在鋁合金基體中，進而擴散在整個機體結構中，這些沉積物主要是Mg2Si和Si形式存在，沉積物的溶解將會改變材料的流動性。為了計算在沉積物溶解過程中的擴散速度，Porter和Easterling提出了擴散因數：

為成型后的位錯密度。規定后的位錯密度值從0（原始值）到1（位錯網絡的飽和狀態）變化。在這個規定的位錯密度率方程中包含了三種軟化機制。他們分別是回復，靜態回復（回火過程中）和再結晶。對于運用統一本構方程模擬兩道工序進行的軋制過程，Liu and Lin提出了自己的模型和數值計算程序，運用此模型和數值計算程序展開分析[4]。分別展示了第一道工序中有效應力場圖、位錯密度參數圖、再結晶體積分數圖和晶粒大小尺寸圖，在工件的左邊保持著原始微觀結構，在軋制區域附近應力變化劇烈，軋制后應力出于一種比較低的水平（殘余應力）和保持一種固定態除了在領先變形的末端，這里應力狀態更復雜，取決于軋輥與材料之間的接觸條件，微觀結構的變化存在不同的形式，一旦材料進入軋輥內，歸一的位錯密度就直接從原始狀態增加。

參考文獻：

[1]J.Lin，T.A.Dean.Modelling of microstructure evolution in hot forming using unified constitutive equations.Journal of Materials Processing Technology 167（2005）354-362

[2] A. LAASRAOUI and J.J. JONAS. Prediction of Steel Flow Stresses at

High Temperatures and Strain Rates. METALLURGICAL TRANSACTIONS A： 1545—1558 VOLUME 22A， JULY 1991

[3]Zhipeng Zeng， Stefan Jonsson， Yanshu Zhang. Constitutive equations for pure titanium at elevated temperatures. Materials Science and Engineering A 505 （2009） 116–119

[4]王少林，阮雪榆，俞新陸，陳森燦，胡宗式.金屬高溫塑性本構方程的研究.上海交通大學學報.1996，（8）：20-24.

作者簡介：易杰（1983-），男，湖南工業職業技術學院汽車工程學院，講師（在讀博士）。

基金項目：湖南省科技計劃項目（2013GK3050）