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304L不锈钢热变形过程微观组织演变机制的研究

作　者: 张传滨
导　师: 刘洁
学　校: 太原科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 304L不锈钢动态再结晶流变应力位错密度晶粒尺寸数值模拟
分类号: TG142.15
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

304L奥氏体不锈钢是核电大锻件的主要材料之一。核电不锈钢大锻件不仅体积大,而且要求材料纯净、锻件组织性能均匀。由自由锻引起的温度、材料流线和变形不均匀性导致锻造过程中大锻件实际生产中存在着热锻开裂、晶粒粗大且不均匀技术问题。解决以上问题的关键在于锻件内部晶粒细化和均匀,其技术的核心就是锻造过程中大锻件内部晶粒度的有效控制。然而目前国内对于该钢的基础研究还远不能满足实际生产要求,进而影响大锻件热变形工艺的进一步优化。本文采用GLEEBLEl500D热模拟实验机对锻态304L不锈钢进行了单道次热压缩实验,在不同应变速率、变形温度下得到了304L不锈钢的应力-应变曲线,研究了304L不锈钢热变形过程初始晶粒尺寸、变形温度、变形量、应变速率等变形参数对奥氏体动态再结晶和流变应力的影响规律。建立了304L不锈钢动态再结晶的动力学模型、运动学模型、流变应力模型、再结晶晶粒尺寸模型以及位错密度模型。通过金相试验、透射电镜(TEM)实验得到动态再结晶后304L不锈钢的再结晶晶粒尺寸、位错组态以及密度分布。采用ANSYS有限元软件模拟了热模拟试验的变形过程,分析了304L不锈钢试样的不同变形区域在热变形过程中的等效应变、应力以及温度场的分布情况。并参照金相图,分析了非均匀应变对奥氏体动态再结晶及晶粒尺寸的影响。结果表明,在试样的不同区域,等效应变和应力分布相差很大;温度分布也有差异,剪应变对动态再结晶程度的影响比等效应变大。在试验所设定的最大变形量下,等效应变对晶粒细化的影响存在一个临界值,而随着剪应变的增加,奥氏体晶粒不断细化,可见剪应变对奥氏体晶粒尺寸的影响更大。仿真结果与实验结果较为一致,这表明该模型能用来准确描述304L不锈钢热变形过程。通过的热模拟试验和数值模拟,探究热变形下晶粒尺寸、分布情况,引起的原因和微观机理,建立与变形量、变形温度、保温时间、应力状态等宏观变形参数之间的关系。研究成果可为核电奥氏体不锈钢大锻件生产中的塑性加工质量预报和控制技术提供可靠的科学依据。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-25
  1.1 课题研究的背景和意义  9-10
    1.1.1 国内外大锻件生产现状  9-10
    1.1.2 大锻件在制造过程中存在的问题及研究的意义  10
  1.2 动态再结晶的过程的描述  10-12
    1.2.1 动态再结晶过程  10-11
    1.2.2 动态再结晶的发生条件  11-12
  1.3 国内外对动态再结晶过程机制的研究现状  12-19
    1.3.1 动态再结晶模型研究现状  12-13
    1.3.2 微观组织演变模型的研究现状  13-15
    1.3.3 热变形过程中热力学行为的研究现状  15-17
      1.3.3.1 热变形参数对流变应力的影响  15-16
      1.3.3.2 流变应力模型  16-17
    1.3.4 变形参数对动态再结晶组织微观结构的研究现状影响  17-19
      1.3.4.1 热变形过程组织微观结构变化的理论分析  17
      1.3.4.2 位错密度计算模型  17-19
  1.4 数值模拟的基本理论  19-21
    1.4.1 ANSYS 软件简介  19
    1.4.2 ANSYS 对实际技术问题的处理  19-21
      1.4.2.1 非线性问题的解决  19-20
      1.4.2.2 摩擦问题的解决  20-21
      1.4.2.3 热分析的经典理论  21
  1.5 课题研究的意义及主要内容  21-25
    1.5.1 课题研究的意义  21-22
    1.5.2 课题研究的主要内容  22-23
    1.5.3 论文研究路线  23-25
第二章实验材料及方法  25-31
  2.1 实验材料  25
  2.2 实验方案  25-29
    2.2.1 加热实验  25-26
    2.2.2 单道次热压缩实验  26-28
    2.2.3 金相显微组织观察实验  28
    2.2.4 动态再结晶组织微观结构实验  28-29
  2.3 实验设备  29-31
    2.3.1 GLEEBLE1500D 热模拟机  29
    2.3.2 万能材料显微镜  29
    2.3.3 透射电子显微镜  29-31
第三章实验结果及分析  31-57
  3.1 加热实  31-32
  3.2 单道次压缩试验  32-40
    3.2.1 应力应变曲线分析  32-33
    3.2.2 动态再结晶临界应力和峰值应力的确定  33
    3.2.3 形变激活能的计算  33-34
    3.2.4 动态再结晶动力学模型  34-36
    3.2.5 动态再结晶运动学模型  36-38
    3.2.6 流变应力模型的确立  38-40
  3.3 动态再结晶晶粒尺寸研究  40-47
    3.3.1 单道次压缩再结晶晶粒分析  40-44
      3.3.1.1 变形温度对动态再结晶晶粒尺寸的影响  40-41
      3.3.1.2 应变速率对动态再结晶晶粒尺寸的影响  41-42
      3.3.1.3 应变量对动态再结晶晶粒尺寸的影响  42-44
    3.3.2 晶粒尺寸模型的研究  44-47
      3.3.2.1 模型的建立  44-45
      3.3.2.2 模型的应用  45-47
  3.4 动态再结晶组织微观结构实验结果  47-55
    3.4.1 晶体结构分析  47
    3.4.2 变形参数对动态再结晶组织微观结构的影响  47-51
      3.4.2.1 变形量对动态再结晶组织微观结构的影响  47-50
      3.4.2.2 变形温度对动态再结晶组织微观结构的影响  50-51
      3.4.2.3 应变速率对动态再结晶组织微观结构的影响  51
    3.4.3 高应变区动态再结晶组织位错密度的变化规律  51-54
      3.4.3.1 高应变区动态再结晶组织微观结构分析  52-53
      3.4.3.2 动态再结晶组织位错密度的变化规律  53-54
    3.4.4 位错密度计算  54-55
  3.5 小结  55-57
第四章普通平板间镦粗圆柱体的数值模拟  57-71
  4.1 建立有限元模型  57-59
  4.2 模拟结果及讨论  59-65
    4.2.1 变形后的轮廓与变形程度的关系  59-60
    4.2.2 等效应变模拟  60-62
    4.2.3 应力分布模拟  62-64
    4.2.4 温度场的分布  64-65
  4.3 非均匀应变对热变形的影响  65-69
    4.3.1 非均匀应变对再结晶程度影响  65-66
    4.3.2 非均匀应变对晶粒尺寸的影响  66-69
  4.4 小结  69-71
第五章结论  71-73
参考文献  73-79
致谢  79-80
攻读硕士期间发表的论文  80-81

304L不锈钢热变形过程微观组织演变机制的研究

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