基于MEDC模型的鈦合金熱處理相變模擬

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DEFORM MEDC(Microstructure Evolution During Cooling)模型可應(yīng)用于鈦合金的熱處理冷卻過程相變分析,其目的是模擬雙相α和β 在Ti6-4合金冷卻過程中的顯微組織演化,以預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)變織構(gòu)。根據(jù)變異選擇規(guī)則,MEDC模型預(yù)測(cè)了初生α相晶粒尺寸、初生α、β相和次生α相的體積分?jǐn)?shù),并根據(jù)變量選擇規(guī)則從β轉(zhuǎn)化為次生α相的織構(gòu)。

在DEFORM中實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)變量選擇規(guī)則,即隨機(jī)變體選擇首選變量選擇規(guī)則,以最佳匹配初生α相的極圖織構(gòu)可以在羅德里格斯空間或歐拉空間中表示。MEDC模型的輸入數(shù)據(jù)包括MEDC模擬控制數(shù)據(jù)、材料定義、從β相到初生α和β到次生α的相變數(shù)據(jù)、初始織構(gòu)、α和β相的初始體積分?jǐn)?shù)以及初始的初生α相晶粒尺寸。對(duì)于DEFORM數(shù)據(jù)庫中保存的每個(gè)步驟,輸出數(shù)據(jù)包括上述微觀結(jié)構(gòu)特征。此分析技術(shù)提供了織構(gòu)分析工具,如極圖、反極圖和HCP晶體的Kearns數(shù),特別是對(duì)于總α相的統(tǒng)計(jì)。

該模型可以在完成變形織構(gòu)模型后運(yùn)行,也可以使用已知或假定的變形織構(gòu)作為獨(dú)立的變形織構(gòu)模型運(yùn)行。在變形紋理模型完成計(jì)算后,可以運(yùn)行MEDC模型,從而將預(yù)測(cè)的變形織構(gòu)作為初始織構(gòu)輸入到MEDC模型中。

如果MEDC被用作一個(gè)獨(dú)立的模型來預(yù)測(cè)變形織構(gòu),而沒有任何先前的變形織構(gòu)模型結(jié)果,那么用戶可以使用一個(gè)典型的DEFORM熱處理數(shù)據(jù)庫以及測(cè)量的變形織構(gòu)(EBSD)或假定的變形織構(gòu)數(shù)據(jù)作為MEDC模型的初始織構(gòu)。

DEFORM能夠進(jìn)行α+β相及亞穩(wěn)β相的熱處理冷卻過程(淬火及空冷或爐冷)β向初生α相、β向次生α相的轉(zhuǎn)變,從而有利于控制熱處理相成分的最終轉(zhuǎn)變量及相尺寸。

鈦合金熱處理相變主要是相的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。DEFORM中具有HCP密排六方、BCC體心立方及FCC面心立方晶體結(jié)構(gòu)類型及羅德里格斯和歐拉角織構(gòu)類型,能夠模擬α相、β相間的晶體織構(gòu)轉(zhuǎn)變,反映β相(BCC)向初生α相和次生α相(HCP)的晶體轉(zhuǎn)變。

基于MEDC模型的鈦合金熱處理相變模擬的圖1

織構(gòu)晶體類型定義

在兩相轉(zhuǎn)變模型中,MEDC模型具備冷卻過程β相向初生α相轉(zhuǎn)變體積分?jǐn)?shù)及尺寸變化的驅(qū)動(dòng)力模型,此驅(qū)動(dòng)力模型基于釩或鋁元素?cái)U(kuò)散。通過定義擴(kuò)散控制元素在平衡狀態(tài)下的相成分,輸入數(shù)據(jù)包括:

■ 擴(kuò)散控制元素的平均濃度(V)

■ 溫度值

■ 不同溫度下平衡狀態(tài)化學(xué)成分,用Cp和Ci進(jìn)行定義

(Cp表示初始α相中擴(kuò)散控制元素的濃度,而Ci則是β相溫度元素濃度)

對(duì)于典型的Ti-6Al-4V合金,β向α相采用MEDC模型,轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力參數(shù)可通過下圖進(jìn)行定義。

基于MEDC模型的鈦合金熱處理相變模擬的圖2

MEDC模型參數(shù)定義

β向次生α相轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力采用 “二次α板條-基于臨界冷卻速率” 模型進(jìn)行定義。該模型計(jì)算了二次α形成的臨界冷卻速率,以及β和二次α體積分?jǐn)?shù)的演化。從固溶溫度定義二次α生長的起始溫度(Ts)和時(shí)間(t)線被定義為:Tβ是β轉(zhuǎn)變溫度。二次α體積分?jǐn)?shù)計(jì)算為:

基于MEDC模型的鈦合金熱處理相變模擬的圖3

其中Te是轉(zhuǎn)變完成時(shí)的溫度,Vr是初生α相平衡分?jǐn)?shù)

基于MEDC模型的鈦合金熱處理相變模擬的圖4

二次α相轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力模型

DEFORM采用點(diǎn)求解器計(jì)算鈦合金產(chǎn)品在不同位置的相變情況,由于相織構(gòu)類型的差異,需要定義不同類型織構(gòu)的材料軸、ODF取向分布函數(shù)及初始初生α相和β相的體積分?jǐn)?shù),初生α相晶粒尺寸。ODF可選擇EBSD或XRD相圖獲取相關(guān)取向數(shù)據(jù)。

基于MEDC模型的鈦合金熱處理相變模擬的圖5

ODF數(shù)據(jù)定義

通過鈦合金熱處理冷卻過程模擬計(jì)算,能夠獲取熱處理后多種相轉(zhuǎn)變模擬結(jié)果數(shù)據(jù)曲線,包括溫度、初生α相尺寸、初生α相體積分?jǐn)?shù)、β相體積分?jǐn)?shù)、二次α相體積分?jǐn)?shù)、總α相體積分?jǐn)?shù)、二次α相開始溫度、二次α相形成的臨界冷卻率等。

基于MEDC模型的鈦合金熱處理相變模擬的圖6

各轉(zhuǎn)變結(jié)果及相變-時(shí)間曲線圖

在織構(gòu)轉(zhuǎn)變方面,能夠顯示ODF云圖、極圖、反極圖,以及HCP晶體結(jié)構(gòu)的Kearns數(shù)。

基于MEDC模型的鈦合金熱處理相變模擬的圖7

初生α相、二次α相、β相及總α相極圖


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