低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法与系统，通过引入关键评判指标储能来协调优化热塑性变形工艺参数获得匀细化、低能晶界密度高的组织；获取待测材料的等温热压缩实验数据，建立储能与平均晶粒尺寸的响应关系及模型；建立以储能和平均晶粒尺寸为变量的低能晶界密度响应关系，进而建立低能晶界密度演化模型；开发低能晶界密度预测及分析系统，获得晶粒尺寸和低能晶界密度的核心子程序并耦合到有限元软件中，通过对平均晶粒尺寸、储能和低能晶界密度实时监控，迭代修正主要工艺参数，实现晶粒尺寸及低能晶界密度之间的动态协调优化。本发明专利技术可揭示热塑性变形过程中低能晶界密度的演化，并实现低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化。

【技术实现步骤摘要】
低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法与系统
本专利技术属于本专利技术专利属于材料加工工程中金属塑性成形领域。
技术介绍
镍基超合金为低层错能高温合金，低能晶界Σ3n(n＝1,2,3)晶界含量低会加剧晶界裂纹扩展，而高含量、均匀细化的Σ3n晶界能使自由晶界网络充分裂解并有效阻止裂纹的生成及扩展，从而显著提高合金抗疲劳及蠕变性能，对解决镍基超合金气阀坯因晶界网络裂解度低而引发的原动机功率下降乃至骤然破坏问题具有重要意义。然而，目前除了传统的试错法，并没有一种有效的方法能实时监测低能晶界的含量及分布。为适应我国战略规模要求，航空、舰船内燃机向更大功率，更可靠的纵深发展，气阀的截面尺寸及其规格不断升级，镍基超合金材料性能不断强化且加工制造变形难度提升，进而导致电镦规格不断升级且参数与晶粒、晶界等组织的协调难度不断加大，成形后的晶粒形态缺陷及混合晶界成为突出和更难解决的问题。因此。在电镦过程中实时监控镍基超合金低能晶界含量及分布，将有助于通过协调控制变形工艺参数来精确、高效的预测与调控低能晶界的形成与分布。在相对低的温度区间内，晶粒尺寸较小。按照传统的研究结论，晶粒尺寸小则低能晶界密度一定高。但是，经专利技术人研究发现由于热塑性变形过程中不同工艺参数下的位错密度和储能不同，导致晶粒尺寸小的情况下低能晶界密度不一定高。因此需要对低能晶界密度调控与晶粒尺寸进行协调优化，避免片面的寻求较小的晶粒尺寸而导致不能完全确保低能晶界密度增大。
技术实现思路
针对上述技术的不足，本专利技术提供了一种低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法，解决如何实现金属材料在热塑性加工过程寻找出合适热塑性变形参数以实现低能晶界密度调控与晶粒尺寸的协调优化的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法，包括如下步骤：引入关键评判指标储能来协调优化热塑性变形工艺参数获得匀细化、低能晶界密度高的组织；为参数化衡量不同热塑性变形参数下储能与晶粒尺寸的演变规律，建立储能与平均晶粒尺寸的响应关系：式中，Es表示材料在热塑性变形过程中的平均应变能，即储能；D表示平均晶粒尺寸；n表示晶粒尺寸的相关指数，范围为0.4～0.8；c3、c4均为常数；获取实验数据：选取待测材料的试样并完成等温热压缩实验，然后迅速进行淬火处理以保留试样的高温微观组织；然后对试样进行微观组织表征，采用背散射衍射EBSD对热塑性变形后的微观组织形貌及晶粒取向和晶界分布特征进行观察：获得不同热塑性变形参数下含有低能晶界的晶界分布图，以及不同热塑性变形参数下的KAM图；根据所述晶界分布图计算不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸以及不同热塑性变形参数下的低能晶界密度；根据所述KAM图计算不同热塑性变形参数下的储能；挖掘响应关系，构造不同热塑性变形参数与物理量的映射图谱：基于所述KAM图获得储能值并建立不同热塑性变形参数下的储能的等高线图，同时叠加相应热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸的等高线图，建立储能与平均晶粒尺寸的等高线叠加图，进一步揭示不同热塑性变形参数下储能与平均晶粒尺寸的关系；基于所述晶界分布图获得低能晶界密度值并建立不同热塑性变形参数下的低能晶界密度的等高线图，同时叠加储能的等高线图，建立低能晶界密度与储能的等高线叠加图，进一步揭示同热塑性变形参数下低能晶界密度与储能的关系；基于不同热塑性变形参数下的低能晶界密度的等高线图，叠加平均晶粒尺寸的等高线图，建立低能晶界密度与平均晶粒尺寸的等高线叠加图，进一步揭示不同热塑性变形参数下低能晶界密度与平均晶粒尺寸的关系；建立模型：利用所述不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸以及所述不同热塑性变形参数下的储能，并根据所述储能与平均晶粒尺寸的响应关系拟合得到常数c3与c4，从而得到待测材料的储能与平均晶粒尺寸的响应模型；利用不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸、不同热塑性变形参数下的低能晶界密度以及不同热塑性变形参数下的储能，基于growthaccidentmodel理论，以经典Pande模型为基础，建立待测材料在热塑性变形过程中以储能和平均晶粒尺寸为变量的低能晶界密度响应关系，并结合所述待测材料的储能与平均晶粒尺寸的响应模型，建立待测材料的低能晶界密度演化模型；重复以下步骤，直到找到合适热塑性变形参数以满足要求：通过建立热塑性变形有限元模型，模拟分析动态采集在外部复杂条件加载下产生的变形基本参数场量如温度场、应变速率场；基于耦合的晶粒尺寸和低能晶界密度的核心子程序，根据动态再结晶模型或晶粒长大模型计算晶粒尺寸，所述低能晶界密度演化模型根据平均晶粒尺寸计算出储能与低能晶界密度，并在有限元模拟软件中得到包括平均晶粒尺寸、储能和低能晶界密度在内的场量分布图，以对热塑性变形过程中的低能晶界密度和平均晶粒尺寸进行预测和监控；通过平均晶粒尺寸和低能晶界密度的场量分布图观察平均晶粒尺寸和低能晶界密度是否符合要求，若是，则根据当前热塑性变形参数下的外部加载条件继续对坯料进行热塑性变形模拟；若否，则将当前基本变形参数与不同热塑性变形参数下的物理量的映射图谱进行实时对比，包括储能与平均晶粒尺寸的等高线叠加图、低能晶界密度与储能的等高线叠加图、低能晶界密度与平均晶粒尺寸的等高线叠加图，获取低能晶界密度与平均晶粒尺寸分别随储能的变化趋势，搜寻能使低能晶界密度与平均晶粒尺寸协调优化的储能，并根据搜寻到的储能获取相应的热塑性变形参数，并重新修改外部加载条件满足寻优后的热塑性变形参数，再继续执行有限元模拟，这一动态迭代过程持续至成形结束。本专利技术还提供一种低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化系统，包括低能晶界密度演化模型、低能晶界密度预测及分析系统、有限元模型与参数调控模块；所述低能晶界密度演化模型用于根据平均晶粒尺寸与储能计算低能晶界密度；所述低能晶界密度预测及分析系统用于输入包括温度、应变速率和应变在内的热塑性变形参数，以解析计算动态再结晶体积分数、平均晶粒尺寸、储能和低能晶界密度；所述低能晶界密度预测及分析系统还用于耦合晶粒尺寸计算模型与低能晶界密度演化模型，以根据结合热塑性变形参数计算晶粒尺寸，并基于晶粒尺寸计算出平均晶粒尺寸以用于计算低能晶界密度，并生成低能晶界密度和晶粒尺寸的子程序文件；所述晶粒尺寸计算模型包括动态再结晶模型与晶粒长大模型；所述有限元模型用于对热塑性成形过程进行有限元模拟，通过植入所述子程序文件到有限元模型中，实现对热塑性变形过程中的低能晶界密度与平均晶粒尺寸进行监测；通过平均晶粒尺寸和低能晶界密度的场量分布图观察平均晶粒尺寸和低能晶界密度是否符合要求，若是，则根据当前热塑性变形参数下的外部加载条件继续对坯料进行热塑性变形模拟；若否，则将当前基本变形参数与不同热塑性变形参数下的物理量的映射图谱进行实时对比，包括储能与平均晶粒尺寸的等高线叠加图、低能晶界密度与储能的等高线叠加图、低能晶界密度与平均晶粒尺寸的等高线叠加图，获取低能晶界密度与平均晶粒尺寸分别随储能的变化趋势，搜寻能使低能晶界密度与平均晶粒尺寸协调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n引入关键评判指标储能来协调优化热塑性变形工艺参数获得匀细化、低能晶界密度高的组织；为参数化衡量不同热塑性变形参数下储能与晶粒尺寸的演变规律，建立储能与平均晶粒尺寸的响应关系：/n

【技术特征摘要】
1.一种低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
引入关键评判指标储能来协调优化热塑性变形工艺参数获得匀细化、低能晶界密度高的组织；为参数化衡量不同热塑性变形参数下储能与晶粒尺寸的演变规律，建立储能与平均晶粒尺寸的响应关系：



式中，Es表示材料在热塑性变形过程中的平均应变能，即储能；D表示平均晶粒尺寸；n表示晶粒尺寸的相关指数，范围为0.4～0.8；c3、c4均为常数；
获取实验数据：
选取待测材料的试样并完成等温热压缩实验，然后迅速进行淬火处理以保留试样的高温微观组织；然后对试样进行微观组织表征，采用背散射衍射EBSD对热塑性变形后的微观组织形貌及晶粒取向和晶界分布特征进行观察：获得不同热塑性变形参数下含有低能晶界的晶界分布图，以及不同热塑性变形参数下的KAM图；
根据所述晶界分布图计算不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸以及不同热塑性变形参数下的低能晶界密度；根据所述KAM图计算不同热塑性变形参数下的储能；
挖掘响应关系，构造不同热塑性变形参数与物理量的映射图谱：
基于所述KAM图获得储能值并建立不同热塑性变形参数下的储能的等高线图，同时叠加相应热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸的等高线图，建立储能与平均晶粒尺寸的等高线叠加图，进一步揭示不同热塑性变形参数下储能与平均晶粒尺寸的关系；基于所述晶界分布图获得低能晶界密度值并建立不同热塑性变形参数下的低能晶界密度的等高线图，同时叠加储能的等高线图，建立低能晶界密度与储能的等高线叠加图，进一步揭示不同热塑性变形参数下低能晶界密度与储能的关系；基于不同热塑性变形参数下的低能晶界密度的等高线图，叠加平均晶粒尺寸的等高线图，建立低能晶界密度与平均晶粒尺寸的等高线叠加图，进一步揭示不同热塑性变形参数下低能晶界密度与平均晶粒尺寸的关系；
建立模型：
利用所述不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸以及所述不同热塑性变形参数下的储能，并根据所述储能与平均晶粒尺寸的响应关系拟合得到常数c3与c4，从而得到待测材料的储能与平均晶粒尺寸的响应模型；
利用不同热塑性变形参数下的平均晶粒尺寸、不同热塑性变形参数下的低能晶界密度以及不同热塑性变形参数下的储能，基于growthaccidentmodel理论，以经典Pande模型为基础，建立待测材料在热塑性变形过程中以储能和平均晶粒尺寸为变量的低能晶界密度响应关系，并结合所述待测材料的储能与平均晶粒尺寸的响应模型，建立待测材料的低能晶界密度演化模型；
重复以下步骤，直到找到合适热塑性变形参数以满足要求：
通过建立热塑性变形有限元模型，模拟分析动态采集在外部复杂条件加载下产生的变形基本参数场量如温度场、应变速率场；基于耦合的晶粒尺寸和低能晶界密度的核心子程序，根据动态再结晶模型或晶粒长大模型计算晶粒尺寸，所述低能晶界密度演化模型根据平均晶粒尺寸计算出储能与低能晶界密度，并在有限元模拟软件中得到包括平均晶粒尺寸、储能和低能晶界密度在内的场量分布图，以对热塑性变形过程中的低能晶界密度和平均晶粒尺寸进行预测和监控；
通过平均晶粒尺寸和低能晶界密度的场量分布图观察平均晶粒尺寸和低能晶界密度是否符合要求，若是，则根据当前热塑性变形参数下的外部加载条件继续对坯料进行热塑性变形模拟；若否，则将当前基本变形参数与不同热塑性变形参数下的物理量的映射图谱进行实时对比，包括储能与平均晶粒尺寸的等高线叠加图、低能晶界密度与储能的等高线叠加图、低能晶界密度与平均晶粒尺寸的等高线叠加图，获取低能晶界密度与平均晶粒尺寸分别随储能的变化趋势，搜寻能使低能晶界密度与平均晶粒尺寸协调优化的储能，并根据搜寻到的储能获取相应的热塑性变形参数，并重新修改外部加载条件满足寻优后的热塑性变形参数，再继续执行有限元模拟，这一动态迭代过程持续至成形结束。


2.根据权利要求1所述的低能晶界密度与晶粒尺寸的协调优化方法，其特征在于，当动态再结晶体积分数达到95％时，采用晶粒长大模型计算晶粒尺寸；当动态再结晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：权国政，张钰清，赵江，马遥遥，温志航，沈力，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50