1、热加工图理论与应用热加工图理论与应用介绍内容介绍内容 一、热加工图的理论基础一、热加工图的理论基础二、热加工图的构建方法二、热加工图的构建方法三、热加工图的应用实例三、热加工图的应用实例1、概述、概述 热加工图热加工图是表征材料固有加工性好与坏的是表征材料固有加工性好与坏的图形。典型的热加工图如图所示。图形。典型的热加工图如图所示。一、热加工图的理论基础一、热加工图的理论基础TC4 ELI钛合金热变形机理图钛合金热变形机理图 =0.6时时Ti40合金的加工图合金的加工图 l 热加工图的用途热加工图的用途：运用热加工图选择变形工艺参数和改善材运用热加工图选择变形工艺参数和改善材料的加工性能。料的
2、加工性能。借用热加工图控制变形过程中形成的组织借用热加工图控制变形过程中形成的组织结构、形态和分析变形机制和组织演变规结构、形态和分析变形机制和组织演变规律。律。利用热加工图分析塑性失稳的原因、避免利用热加工图分析塑性失稳的原因、避免缺陷的产生。缺陷的产生。 加工性加工性指材料在塑性变形过程中不发生指材料在塑性变形过程中不发生破坏所能达到的变形能力。材料的加工性包括：破坏所能达到的变形能力。材料的加工性包括：加加工工性性材料固有的加工性材料固有的加工性(Intrinsic Workability) 应力状态决定的加工性应力状态决定的加工性(State-of-stress Workability
3、) 材料化学成分、原始组织状态、材料化学成分、原始组织状态、加工历史加工历史变形工艺（变形温度、应变速率变形工艺（变形温度、应变速率和应变量等）参数和应变量等）参数 外界作用的应力状态外界作用的应力状态 变形区内的应力状态变形区内的应力状态 2、材料的加工性、材料的加工性加工图是表征材料固有加工性的图形加工图是表征材料固有加工性的图形材 料材 料固 有固 有加 工加 工性 的性 的研 究研 究内容内容应变速度敏感性应变速度敏感性 温度敏感性温度敏感性 应变速率和温度的历史效应应变速率和温度的历史效应 应变硬化或软化过程应变硬化或软化过程 内部变形缺陷及其演变内部变形缺陷及其演变 晶体结构及其演
4、变规律晶体结构及其演变规律 用材料高温塑性变形用材料高温塑性变形的流变应力来反映的流变应力来反映 研究动态和静态回复、再结晶等研究动态和静态回复、再结晶等描述裂纹的形成和发展描述裂纹的形成和发展研究研究材料材料固有固有加工加工性的性的方法方法物物理理试试验验微观组织分析微观组织分析 实物解剖实物解剖 物理物理模拟模拟试验试验 拉伸拉伸 压缩压缩 扭转扭转 动力学模型动力学模型(Kinetic Model)物物理理模模型型 原子理论模型原子理论模型( A t o m i s t i c Model)动态材料学模型动态材料学模型(Dynamic Material Model)其它模型其它模型 As
5、hby-Frost变形机制图变形机制图Raj加工图加工图 热加工图的主要两大类：热加工图的主要两大类：Raj加工图和基加工图和基于动态材料模型的加工图。于动态材料模型的加工图。3.1 基于原子模型的基于原子模型的Raj加工图加工图 Raj等人根据以下等人根据以下4种原子活动机制，建立的种原子活动机制，建立的加工图称为加工图称为Raj加工图。加工图。 (1) 三角晶界点的楔形开裂；三角晶界点的楔形开裂； (2) 硬质点周围的空洞形核；硬质点周围的空洞形核； (3) 绝热剪切带的形成；绝热剪切带的形成； (4) 动态再结晶。动态再结晶。 从从Raj加工图上，可以看出不同区域的材料变加工图上，可以看
6、出不同区域的材料变形机理。形机理。3、热加工图的理论基础、热加工图的理论基础 Raj加工图的局限性加工图的局限性：适用纯金属和简单合金，适用纯金属和简单合金，复杂合金不适用复杂合金不适用； 需需确定大量基本参数确定大量基本参数，涉及较多原子活动机制涉及较多原子活动机制的理论知识，作很多理的理论知识，作很多理论计算才能建立此图论计算才能建立此图; 只建立几种典型过程的只建立几种典型过程的原子模型，原子模型，不适用各种不适用各种变形机制变形机制。304奥氏体不锈钢的奥氏体不锈钢的Raj加工图加工图 但尽管如此，但尽管如此，Raj开创了应用理论模型研究材料开创了应用理论模型研究材料加工性的先河。加工
7、性的先河。韧性断裂区安全区绝热剪切带楔形开裂动态再结晶 Gegel和和Prasad等人，根据：等人，根据： （1）大塑性变形连续介质力学）大塑性变形连续介质力学 （2）物理系统模拟）物理系统模拟 （3）不可逆热力学）不可逆热力学1） 动态材料模型动态材料模型3.2 基于动态材料模型的加工图基于动态材料模型的加工图理论 建立了动态材料模型建立了动态材料模型（Dynamic Material Modeling，即，即DMM） 基于动态材料模型的加工图的特点：将外基于动态材料模型的加工图的特点：将外界给予的能量（力作的功）与材料发生塑性变界给予的能量（力作的功）与材料发生塑性变形消耗的能量联系起来了
8、。形消耗的能量联系起来了。由此，由此， 输入能量输入能量(P)矩形的面积矩形的面积系统非线性能量耗散示意图系统非线性能量耗散示意图l Gegel和和Prasad等人将加力的设备、模具和工等人将加力的设备、模具和工件视为热力学封闭系统。件视为热力学封闭系统。即即 流动应力；流动应力； 应变速率应变速率。P 所以所以DMM热加工图可阐明外界作用的能量（力热加工图可阐明外界作用的能量（力作的功）是如何通过工件塑性变形而耗散的。作的功）是如何通过工件塑性变形而耗散的。耗散量耗散量(G) 材料发生塑性变形所消耗的材料发生塑性变形所消耗的能量，其中大部分能量转化成了热能，小能量，其中大部分能量转化成了热能
9、，小部分以晶体缺陷能的形式存储。部分以晶体缺陷能的形式存储。 耗散协量耗散协量(J)材料变形过程中组织演变材料变形过程中组织演变消耗的能量。消耗的能量。l 输入能量输入能量P是分为两部分耗散（消耗）是分为两部分耗散（消耗）00ddJGP所以，所以， 从原子运动角度能更清楚地阐明系统能量分从原子运动角度能更清楚地阐明系统能量分配率的物理意义。材料能量的耗散可分为势能和配率的物理意义。材料能量的耗散可分为势能和动能两部分：动能两部分： 1）势能势能与原子间的相对位置有关，显微组与原子间的相对位置有关，显微组织的改变势必引起原子势能的变化，因而与织的改变势必引起原子势能的变化，因而与耗散耗散协量（协
10、量（J）对应；对应； 2）动能动能与原子的运动，也即与位错的运动与原子的运动，也即与位错的运动有关，动能转化以热能形式耗散，因而与有关，动能转化以热能形式耗散，因而与耗散量耗散量（G）对应。对应。l 功率耗散图功率耗散图当材料处于理想线性耗散状态时，应变速当材料处于理想线性耗散状态时，应变速率敏感指数率敏感指数m1，此时耗散协量，此时耗散协量J达到最大达到最大值值Jmax 。如图。如图。为了描述材料成形过程中显微组织演变消为了描述材料成形过程中显微组织演变消耗的能量所占比例，引入耗的能量所占比例，引入功率耗散因子功率耗散因子 。系统线性能量耗散示意图系统线性能量耗散示意图maxJJ所以，根据根
11、据 算出不同的算出不同的 值，然后将所得的值，然后将所得的 值值表示在表示在T- (温度应变速率温度应变速率)的二维平面上，的二维平面上，将相同的将相同的 数值连接起来，可以得到数值连接起来，可以得到 的等值的等值线，这个等值线图就是功率消耗图，如下：线，这个等值线图就是功率消耗图，如下：Ti40阻燃合金功率耗散图阻燃合金功率耗散图maxJJ2） 塑性失稳判断准则塑性失稳判断准则 引入塑性（变形）失稳判断准则，目的为了引入塑性（变形）失稳判断准则，目的为了获得塑性失稳图。获得塑性失稳图。 塑性变形过程中的塑性变形过程中的失稳现象失稳现象主要包括：主要包括： 局部塑性流动局部塑性流动 绝热剪切带
12、形成绝热剪切带形成 空洞形核空洞形核 开裂等开裂等 为了预测金属材料塑性变形中失稳现象，出为了预测金属材料塑性变形中失稳现象，出现了几种塑性失稳判断准则。现了几种塑性失稳判断准则。l 唯象准则唯象准则塑性变形稳定准则塑性变形稳定准则 Semiatin等人根据力平衡的原理，建立与等人根据力平衡的原理，建立与加加工硬化（或软化）率工硬化（或软化）率和和应变速率敏感指数应变速率敏感指数m有有关的参数关的参数/m。 认为钛合金塑性变形准则认为钛合金塑性变形准则5是稳定的。是稳定的。 但该准则完全根据实际经验取值，但该准则完全根据实际经验取值，没有严没有严密的理论依据密的理论依据。l 动态材料模型准则动
13、态材料模型准则 由由不可逆热力学极值原理各国研究者提出：不可逆热力学极值原理各国研究者提出：Gegel等人在应变速率敏感指数等人在应变速率敏感指数m值与应变速值与应变速率无关的基础上，推导出了率无关的基础上，推导出了塑性稳定判断准则塑性稳定判断准则。但该准则必须符合本构关系：但该准则必须符合本构关系： 因此，该准则有局限性。因此，该准则有局限性。mCm2 Murty等人考虑等人考虑应变速率敏感指数应变速率敏感指数m不是常数不是常数的情况下，提出的情况下，提出任意类型的应力和应变速率任意类型的应力和应变速率（ ）曲线）曲线的塑性失稳准则的塑性失稳准则: 或或m20 只要只要 ，或，或 材料在变形
14、过材料在变形过程中都可能发生失稳现象。程中都可能发生失稳现象。 该准则简捷方便、分析严谨，是最有应该准则简捷方便、分析严谨，是最有应用前景的一种判断失稳的准则。用前景的一种判断失稳的准则。0根据判断准则，将计算出来的根据判断准则，将计算出来的 值点在：值点在：变形温度和应变速率的二维平面上，变形温度和应变速率的二维平面上，然后将相同的或接近相同点勾划在一然后将相同的或接近相同点勾划在一起，就成了塑性失稳区，就象前面介起，就成了塑性失稳区，就象前面介绍的绍的TC4ELI变形机理图一样的图形，变形机理图一样的图形，构成塑性失稳图。构成塑性失稳图。完整的动态材料模型完整的动态材料模型DMM的热加工图
15、的热加工图功率耗散图功率耗散图塑性失稳图塑性失稳图基于动态材料模型基于动态材料模型基于塑性失稳判断准则基于塑性失稳判断准则 3）DMM热加工图热加工图 将将功率耗散图功率耗散图（功率耗散因子等值线图）与（功率耗散因子等值线图）与塑性失稳图叠加塑性失稳图叠加就可得到就可得到热加工图热加工图。二、热加工图的构建方法二、热加工图的构建方法1、先做热模拟压缩实验：、先做热模拟压缩实验： 在热变形范围内对变形温度、应变速率和在热变形范围内对变形温度、应变速率和变形量三个工艺参数进行等差或等比均分，组变形量三个工艺参数进行等差或等比均分，组合成多种实验条件，如：合成多种实验条件，如：2、获取热模拟压缩实验
16、后各种条件下的真应、获取热模拟压缩实验后各种条件下的真应力力应变曲线。应变曲线。3、对实验曲线进行摩擦修正和温度校正、对实验曲线进行摩擦修正和温度校正0.00.10.20.30.40.50.60.7050100150200250300350 /MPa10s-11s-10.1s-10.01s-1T=11000C摩擦修正后的流变应力曲线摩擦修正后的流变应力曲线（虚线所示）（虚线所示） 目的：目的：消除摩擦和温升的影响，尽量接近变形条件消除摩擦和温升的影响，尽量接近变形条件的理想状态。的理想状态。采用古布金公式进行摩擦采用古布金公式进行摩擦修正：修正：)3321 (hrmz式中式中 真实应力；真实应
17、力； Z测量应力；测量应力； r摩擦因子；摩擦因子； h试样的瞬时高度试样的瞬时高度cdcWT00.00.10.20.30.40.50.60.7050100150200250300350400450T=10000C /MPa10s-11s-10.1s-10.01s-1温度校正后的流变应力曲线温度校正后的流变应力曲线（虚线所示）（虚线所示）（Aresenault方法）方法）利用利用 和和 公公式对实验所得其应力应变曲线进式对实验所得其应力应变曲线进行温度校正行温度校正 。 w单位体积的塑性变形功单位体积的塑性变形功 u单位体积内能量增量单位体积内能量增量 材料的密度材料的密度 c材料的比热材料的
18、比热 T材料温度升高量材料温度升高量dw0Tcu0.10.20.30.40.50.6020406080100120140160180200220 =0.01s-11100C1050C1000C950C / MPa/ MPa 900C0.10.20.30.40.50.60.7050100150200250300350400 =0.1s-1 / MPa/ MPa 1100C1050C1000C950C900C0.10.20.30.40.50.6050100150200250300350400450500550 =1s-1 / MPa/ MPa 1100C1050C1000C950C900C0.10
19、.20.30.40.50.60.7050100150200250300350400450500550600 / MPa/ MPa1050C1100C1000C950C900C =10s-14、获得修正后的真应力应变曲线、获得修正后的真应力应变曲线 采用采用3次样条次样条函数函数拟合拟合流变应力流变应力log 与与log 的函数的函数关系，计算出关系，计算出应变速率敏感指数应变速率敏感指数。 5、计算、计算 m值值m m为应变速率敏感指数：为应变速率敏感指数：loglog)(log)(log,Tm6、计算功率耗散率、计算功率耗散率 值值 利用利用Matlab软件中的矩阵运算得出软件中的矩阵运算得
20、出 值值。12mm7、构建热加工图、构建热加工图 在由温度和在由温度和log 所构成的平面内绘制出不同真应所构成的平面内绘制出不同真应变下等功率耗散率变下等功率耗散率 的的等值线图等值线图。将功率耗散效率因子。将功率耗散效率因子 的的等值线图与塑性失稳图叠加在一起构成了热加工图。等值线图与塑性失稳图叠加在一起构成了热加工图。对实验数据进行古布金公式摩擦修正和对实验数据进行古布金公式摩擦修正和AresenaultAresenault方法温度校正方法温度校正 3 3次样条函数拟合应力和应变速率的函数关系次样条函数拟合应力和应变速率的函数关系计算应变速率敏感指数计算应变速率敏感指数m m 计算功率耗
21、散率计算功率耗散率 按塑性失稳判断准则按塑性失稳判断准则绘制流变失稳图绘制流变失稳图 绘制功率耗散图绘制功率耗散图( ( 等值线图等值线图) )在不同应变下的加工图在不同应变下的加工图 不同变形温度、变形程度和应变速率下进行热模拟压缩实验不同变形温度、变形程度和应变速率下进行热模拟压缩实验8、构建热加工图的程序、构建热加工图的程序 同同Raj加工图一样，在基于加工图一样，在基于DMM模型的热加模型的热加工图上，也能表示材料安全区域和塑性失稳区域工图上，也能表示材料安全区域和塑性失稳区域以及不同的变形机制。以及不同的变形机制。 DMM模型的热加工图模型的热加工图已已成功成功的用于研究的用于研究多
22、多种金属及其合金种金属及其合金的热变形行为，如铝合金，铜合的热变形行为，如铝合金，铜合金，镁合金，钛合金，不锈钢及镍基合金等。金，镁合金，钛合金，不锈钢及镍基合金等。三、热加工图的应用实例三、热加工图的应用实例1、 Ti-6Al-4V钛合金热变形机理图钛合金热变形机理图 Seshacharyulu等人将加工图理论用于分析初始状态等人将加工图理论用于分析初始状态为片状组织的为片状组织的Ti-6Al-4V ELI合金的合金的组织演变机理组织演变机理，归纳，归纳出不同区域的变形机理如下图所示。出不同区域的变形机理如下图所示。 Ti-6Al-4V ELI钛合金热变形机理图钛合金热变形机理图 不稳定片状
23、组织扭曲动态再结晶球化原始晶界开裂绝热剪切带开裂 从图中可以从图中可以直观地观察直观地观察到沿晶开裂、到沿晶开裂、楔形开裂、绝热剪切带形成、片状组织扭楔形开裂、绝热剪切带形成、片状组织扭曲、球化、动态再结晶及曲、球化、动态再结晶及不稳定性区域，不稳定性区域， 据此可以方便地选取合理的工艺参数，避据此可以方便地选取合理的工艺参数，避免缺陷产生。免缺陷产生。 l 由热加工图可确定：由热加工图可确定： Ti40阻燃钛合金在不同变形区域的阻燃钛合金在不同变形区域的高温高温变形机理变形机理。塑性失稳塑性失稳区域。区域。不同区域不同区域组织结构。组织结构。 由此，为控制由此，为控制Ti40钛合金组织演变和
24、优化钛合金组织演变和优化热变形工艺提供理论依据。热变形工艺提供理论依据。 2、 Ti40阻燃钛合金的热加工图阻燃钛合金的热加工图Ti40阻燃钛合金应变阻燃钛合金应变=0.4和和=0.6时的加工图时的加工图 (a) =0.4 (b) =0.6 功率耗散率功率耗散率 的最大值都是在温度高，应变速率低处。的最大值都是在温度高，应变速率低处。功率耗散率功率耗散率 的的最小值则都是在温度低，应变速率高处。最小值则都是在温度低，应变速率高处。对应的试验结果：对应的试验结果：n 试样试样45剪切开裂剪切开裂。n与压缩轴成与压缩轴成45角彼角彼此平行的此平行的剪切变形带剪切变形带穿越晶粒。穿越晶粒。n有相互紧
25、密排列的滑有相互紧密排列的滑移带移带局部塑性流局部塑性流动动特征特征。原因：原因：Ti40在此条件下塑性不好，与轴线成在此条件下塑性不好，与轴线成45方方向切应力最大。加之向切应力最大。加之 最低值，大部分能量以热的形最低值，大部分能量以热的形式耗散。式耗散。在低温、高应变速率区在低温、高应变速率区(左上角左上角)加工，为失稳区。加工，为失稳区。在高温、高应变速率区在高温、高应变速率区（右上角）（右上角），为失稳区，为失稳区。对应的试验结果：对应的试验结果：n豆腐渣式开裂豆腐渣式开裂。原因温度太高，氧原因温度太高，氧化现象非常严重。化现象非常严重。n纵向开裂纵向开裂。原因。原因与圆柱体试样的环
26、与圆柱体试样的环向产生了附加拉应向产生了附加拉应力，因此，与压缩力，因此，与压缩轴平行方向开裂。轴平行方向开裂。在低温、低应变速率区在低温、低应变速率区（左下角）（左下角）。对应的试验结果：对应的试验结果：n在此区域内，组织为拉长晶粒，没有再结晶在此区域内，组织为拉长晶粒，没有再结晶晶粒出现，为典型的晶粒出现，为典型的动态回复机制动态回复机制，功率耗散，功率耗散率率 为为2232%，呈现出局部极小值。如果变，呈现出局部极小值。如果变形温度太低或者变形量太小，能量很容易通过形温度太低或者变形量太小，能量很容易通过回复而耗散，因而微观结构没有太大的变化，回复而耗散，因而微观结构没有太大的变化，呈动
27、态回复特征。呈动态回复特征。在高温、低应变速率区在高温、低应变速率区（右下角）（右下角）。对应的试验结果：对应的试验结果：n有大量晶界成有大量晶界成锯齿状锯齿状的的再结晶晶粒再结晶晶粒，为典型的，为典型的连续再结晶现象。原因，温度高，驱动力大，连续再结晶现象。原因，温度高，驱动力大，易形成新晶粒，在随后的变形中，新晶粒再次易形成新晶粒，在随后的变形中，新晶粒再次承受变形，呈现锯齿状特征。承受变形，呈现锯齿状特征。该区域该区域 值达到值达到6080，正表明，正表明组织演变耗散的能量最大。组织演变耗散的能量最大。正功率耗散率功率耗散率 值在值在3650发生动态再结晶。发生动态再结晶。温度温度950
28、1050、应变速率、应变速率0.11s-1(中间区中间区)，为动态，为动态再结晶区再结晶区。对应的试验结果：对应的试验结果：n在此区域在此区域，沿着，沿着晶界分布着晶界分布着动态再结晶晶粒，动态再结晶晶粒，呈现大小晶粒呈现大小晶粒混杂的现象，即混杂的现象，即混晶现象混晶现象。n在相同的温度和应变速率下，在相同的温度和应变速率下，随着变形量的增加，或在相同的随着变形量的增加，或在相同的变形速率和变形量下，温度越高，变形速率和变形量下，温度越高，再结晶晶粒再结晶晶粒越大越多越大越多。303337404333304727235020531757136010636.790092094096098010
29、0010201040106010801100-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0Log(Strain Rate /S-1)Temperature /0C=0.6Ti40阻燃钛合金加工图各区域对应的试验结果阻燃钛合金加工图各区域对应的试验结果 运用系统稳定性分析原理，基于动态材料模运用系统稳定性分析原理，基于动态材料模型（型（DMMDMM）建立了）建立了Ti40Ti40阻燃合金加工图。阻燃合金加工图。 由功率耗散率由功率耗散率可将加工图分为三大区域：可将加工图分为三大区域： 1 1）大应变量、高应变速率为失稳区；）大应变量、高应变速率为失稳区； 2 2）低温、低应变速率为动态回复区
30、；）低温、低应变速率为动态回复区； 3 3）高温、低应变速率是动态再结晶区。）高温、低应变速率是动态再结晶区。 选择合适的变形区域作为该合金的加工范围，选择合适的变形区域作为该合金的加工范围，既能保证不产生塑性失稳，又能得到大量再结晶既能保证不产生塑性失稳，又能得到大量再结晶的锻造组织，不仅解决了的锻造组织，不仅解决了Ti40Ti40合金的锻造难题，合金的锻造难题，也为研究难变形材料高温塑性变形行为提供了理也为研究难变形材料高温塑性变形行为提供了理论与实践的依据。论与实践的依据。 3、 Ti-17合金合金的加工图的加工图应变应变0.6时的加工图时的加工图(阴影区为塑性失稳区域阴影区为塑性失稳区
31、域)l 目的：研究片状目的：研究片状组织组织球化规律。球化规律。l 按照同样方法，建立了按照同样方法，建立了Ti-17合金加工图。合金加工图。l耗散耗散效率效率因子因子 的的峰值峰值(80)出现在出现在830、应变速率为应变速率为10-2s-1处处（左下角）（左下角）。由加工图可见以下特点：由加工图可见以下特点：l在图中在图中890虚线处附虚线处附近，耗散效率因子近，耗散效率因子 的等的等值线出现明显的值线出现明显的弯折弯折，这，这种弯折一般是由于发生了种弯折一般是由于发生了相转变相转变，同该温度为，同该温度为Ti-17合金的合金的相变点相变点是吻合的。是吻合的。l图中阴影的图中阴影的塑性失稳区塑性失稳区域域，在较高应变速率条件，在较高应变速率条件下出现。对于下出现。对于Ti-17合金，合金，出现塑性失稳一般是绝热出现塑性失稳一般是绝热剪切带或局部变形。因此，剪切带或局部变形。因此，应避开此区域加工。应避开此区域加工。l 这对研究这对研究双性能（双组织）锻件双性能（双组织）锻件提供了理论与实提供了理论与实践的依据。践的依据。金相组织观察证明了这一点金相组织观察证明了这一点
