基于晶体塑性的钛合金形变-相变耦合机理及模拟研究

在钛合金热塑性变形过程中，再结晶、相变等组织演变对其力学性能有重要的影响。本项目在对钛合金热变形再结晶机理及模拟技术已进行深入研究的基础上，以TA15合金作为研究对象，基于晶体塑性理论、相变理论、元胞自动机理论以及有限元模拟等技术，对其热塑性变形-相变耦合机理及模拟技术进行深入研究。建立密排六方（HCP）、体心立方（BCC）结构相耦合的晶体塑性本构模型，对TA15合金热塑性变形行为进行介观尺度模拟，深入分析变形及相变的微观物理机理。并建立引入位错密度等微观参数的元胞自动机相变模型，与晶体塑性变形有限元模拟同步耦合，对TA15合金热塑性变形过程中的相变等显微组织演变进行介观尺度模拟。这对于获得组织和性能良好的产品以及促进钛合金的发展和实用化，都具有重要的理论意义和实用价值。

TA15钛合金作为重要的结构钛合金和损伤容限型钛合金，在航空航天和军工等领域得到广泛应用。TA15钛合金需要经过一系列复杂的形变和热处理，才能获得优异的组织和力学性能。为此，探究该合金在高温变形及退火过程中的微观组织演变和介观物理机制，具有重要的理论意义和实用价值。计算机模拟技术为材料显微组织及性能预测和控制提供了崭新的手段，使得材料热塑性加工技术从经验技术工艺朝着科学理论工艺发展。本研究从介观尺度出发，综合运用现代塑性加工学、金属学、晶体塑性理论、有限元方法、元胞自动机等多种理论和方法，对TA15钛合金热变形过程中显微组织的演变进行了系统研究，动态模拟了合金的相变行为和动态再结晶行为。.基于等温恒应变速率热模拟压缩试验、多种材料分析测试技术和相关定量计算理论，对TA15钛合金在热塑性变形过程中的力学行为，变形及退火处理后的相变、再结晶、微观取向、位错亚结构等显微组织的演变等进行了定性和定量研究。在此基础上，基于响应面法建立了热变形参数与TA15钛合金显微组织特征参数之间精确的预测模型，揭示了宏观热加工工艺参数和微观组织之间的深层次关系，并对热加工工艺参数进行了多目标可视化优化。.基于经典塑性理论，将变形过程中的孪生几何简化为等效的滑移，引入孪生体积分数，建立了滑移和孪生相互耦合的率相关多晶体塑性模型。同时考虑了主滑移系和次滑移系的运动，基于高温压缩实验得到的真应力-应变曲线，确定了合理的材料本构参数。在采用EBSD测试和元胞自动机方法获得的TA15钛合金初始晶粒形貌的基础上，对其在相变点上下的塑性变形行为进行了介观尺度模拟。分析了在相变点上下塑性变形后TA15合金的应力和应变分布、滑移系开动情况、形变储存能和晶界面积变化以及晶粒取向分布。从而为后续再结晶和相变模拟提供物理基础。. 基于相变和再结晶的物理基础，考虑变形不均匀性，建立了再结晶晶粒形核和生长模型；考虑热变形参数和塑性形变对相变行为的影响，建立了相变转变条件及新相生长模型。在此基础上，将晶体塑性有限元方法与介观尺度元胞自动机方法相耦合，对TA15钛合金塑性变形过程中的相变行为和再结晶行为进行了动态可视化模拟，获得了统计等效的显微组织模型。这些研究对于全面揭示TA15钛合金变形及组织演变的微观物理机制、优化加工工艺参数、预测和控制钛合金显微组织、提高钛合金产品性能具有重要意义。