特大型零件热态成形过程微观塑性损伤机理与组织形态演化的定量关联机制

Research on microstructure evolution, high temperature crack initiation and growth mechanism and their quantitative correlation mechanism is the key fundamental issue which is first needed to be solved for the high temperature fracture control during the super-large parts hot forming process. The research object of this project is to control the high temperature fracture during the super-large parts hot forming process. And the micro-plastic damage model considering the influence of the microstructure evolution of the super-large parts and the high temperature fracture control method are investigated in this study, based on the material thermodynamics, microstructure analysis methods, microscopic damage mechanics, physical simulation technique and numerical simulation technology. Three problems are investigated in this project, including: microstructure evolution simulation modeling method based on dislocation dynamics and cellular automata algorithm for super-large parts hot forming process; Research on interaction mechanism of dislocation, grain boundary, voids, precipitation phases, micro-cracks and their influence rules for materials hot forming process, microstructure evolution and micro-damage. The quantitative correlation mechanism between microstructure evolution and micro-plastic damage under the high temperature conditions is studied in this project. The high temperture damage model for super-large parts hot forming process is constructed based on the quantitative correlation mechanism, considering the influences of the microstructure evolution, deformation temperature, and stain rate, and in this way we can provide a theory basis for the effective control the internal fracture during super-large parts hot forming process.

特大型零件热态过程组织演变的规律与高温裂纹萌生及扩展机理，以及它们之间的定量关联机制是控制特大型零件高温裂纹首先需要解决的关键基础问题。本课题以控制特大型零件热态成形过程中的高温裂纹为研究对象，结合材料热力学、微观组织分析方法、细观损伤力学、物理模拟及数值模拟技术，探索建立考虑材料微观组织影响的特大型零件热态成形过程微观塑性损伤演化模型及高温裂纹的控制方法。重点研究三类问题，即：基于位错动力学及元胞自动机算法的特大型零件热态成形过程微观组织演变有限元建模方法；研究位错与晶界、空洞、沉淀强化相和微观裂纹的交互作用机制以及其对于材料高温变形、微观组织演变和材料损伤的影响规律；考虑材料微观组织、变形温度、应变速率等参数的影响，建立高温条件下材料微观组织演变与微观塑性损伤的定量关联关系及损伤演化模型，为有效控制大型零件热态成形过程内部裂纹提供理论依据。

特大型零件热态成形过程微观组织演变是影响其高温裂纹萌生及扩展的关键因素。采用微观组织分析方法、材料损伤力学及数值模拟技术，以温度、应变及应变速率为控制微观组织演变及损伤形成的内变量，提出了特大型零件热态成形过程的高温损伤模型及裂纹控制方法。. 已完成特大型零件典型用钢X12合金钢（超超临界转子）及Cr5合金钢（大型轧辊）的高温压缩试验，建立了它们的高温本构模型及动态再结晶模型。同时以位错密度为内变量，基于位错机制的再结晶形核条件和晶粒生长的动力学理论，建立了X12，Cr5合金钢动态再结晶微观组织演化元胞自动机模型，模拟了X12，Cr5合金钢在不同变形条件下的动态再结晶微观组织演变行为，分析了变形温度、应变速率、变形量对X12，Cr5合金钢动态再结晶行为的影响。. 采用扫描电镜对典型大锻件X12合金钢拉伸试样的断口形貌进行扫描分析，结果说明该材料在高温条件下断裂过程是伴随着孔洞的萌生，夹杂物与基体之间产生孔洞，随着孔洞的长大与聚合直至试样发生断裂，从微观机理上为建立的高温连续损伤模型提供理论依据，并且从微观机理上分析了该材料的损伤行为随着温度及应变速率的变化规律。采用高温拉伸试验结合反求分析法，提出了X12合金钢基于Bonora模型的高温损伤模型，采用热拉伸实验、数字图像相关技术(DIC)及数值模拟方法验证了所建高温损伤模型的准确性。基于Lemaitre连续损伤模型，通过对温度及应变速率的耦合，提出了Cr5合金钢的高温连续损伤模型，通过高温拉伸实验直接测定了该模型的损伤参数。. 最后，以特大型零件典型零件超超临界转子为例，采用缩比实验的方法研究了在特大型锻件在实际的镦粗、拔长过程的损伤开裂行为，并模拟计算了该零件高温条件下的裂纹萌生及扩展过程，结果表明锻件实际裂纹位置与有限元模拟结果一致，验证了所提出高温损伤模型的准确性，为有效控制特大型锻件热态成形过程高温裂纹提供理论依据。