难变形材料高温变形开裂准则研究

金属材料的韧性断裂是塑性加工过程中常见的失效形式和影响热加工性的重要因素，历来都是先进塑性加工领域的研究热点。本项目综合运用塑性加工理论、损伤力学理论和有限元模拟技术的最新成果，以钛合金等难变形材料为研究对象，采用高速摄影测量高温变形的临界开裂变形量，将考虑温度和率相关机制的临界损伤函数的概念引入到难变形材料的锻造领域，提出以温度补偿应变速率因子Zener-Hollomon参数来构造临界损伤变量的函数和热变形韧性开裂准则，并结合有限元变形－传热－损伤耦合分析，实现难变形材料高温变形过程损伤开裂有限元模拟的新方法。开展本项目的研究，可促进塑性加工理论、损伤力学理论和有限元模拟技术的相互交叉，丰富塑性加工的内涵，推动数值模拟技术向更高层次发展，为难变形材料锻件实现智能制造奠定理论基础。

金属材料的韧性断裂是塑性加工过程中常见的失效形式和影响热加工性的重要因素，历来都是先进塑性加工领域的研究热点之一。通过构建开裂准则来准确预测金属热变形过程中的开裂行为对于优化材料加工工艺参数，提高产品质量具有重要的意义。本研究以三种典型的难变形钛合金(近α型Ti-60钛合金，α+β型TC21钛合金、β型Ti-40钛合金)为研究对象，提出一种采用高速摄影技术来确定钛合金热压缩过程中临界开裂变形量的新方法，该方法通过采用两个对称分布的高速摄影仪来准确捕获裂纹形核的位置以及裂纹扩展路径，可成功地获得热变形过程中的临界开裂变形量。通过对三种典型钛合金热加工图以及开裂机制的分析，确立了其较佳的热加工窗口和诱发开裂应力类型。选取典型的八种室温变形准则进行热变形初始开裂位置和临界损伤值预测，发现Frudenthal、Le Roy、Norris和Rice & Tracy准则可以预测心部开裂；Crockroft & Latham、Oh、Brozzo和Oyane准则可预测自由表面赤道处开裂，且Oh、Brozzo和Oyane准则预测的临界损伤值与实际吻合较好。基于本研究的热变形开裂机制，最终采用Oh准则进行修正，通过引入Zener-Hollomon因子，建立了可以考虑温度和应变速率综合影响的三种典型钛合金热变形的韧性开裂准则。采用FORTRAN语言二次开发子程序将热变形开裂预测准则嵌入商用有限元软件DEFORM-3D中，对钛合金热变形开裂行为进行预测，模拟结果与试验结果吻合较好。最后，借助已嵌入开裂模型子程序的DEFORM-3D有限元软件，对Ti40、Ti60等合金大规格铸锭不同开坯锻造过程进行了有限元模拟，确立了较为优化的开坯工艺参数，并获得实际验证。