阅读说明：本技术 一种预测变应变速率工况下金属或合金材料动态再结晶晶粒尺寸的方法 (Method for predicting dynamic recrystallization grain size of metal or alloy material under variable-strain-rate working condition ) 是由 蔺永诚 何道广 陈明松 吴瞧 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种预测变应变速率工况下金属或合金动态再结晶晶粒尺寸的方法。该方法的步骤如下：(1)将材料进行热压缩模拟实验获得变形组织；(2)借助金相实验获得变形试样金相图片；(3)统计试样的动态再结晶晶粒尺寸；(用什么软件不妨碍结果!)(4)通过回归处理获得传统的动态再结晶晶粒尺寸预测模型；(5)将传统晶粒尺寸预测模型改进为可预测两阶段变应变速率变形过程动态再结晶晶粒尺寸的新模型。本发明是一种可以准确预测变应变速率变形工况下锻件动态再结晶晶粒尺寸的方法,对合理制定镍基合金热加工工艺提供重要的技术支撑。(The invention discloses a method for predicting the size of a metal or alloy dynamic recrystallization grain under the working condition of an allergic rate. The method comprises the following steps: (1) carrying out a thermal compression simulation experiment on the material to obtain a deformed tissue; (2) obtaining a metallographic picture of the deformation sample by means of a metallographic experiment; (3) counting the size of the dynamic recrystallization grains of the sample; (with what software does not hinder the results!) (4) a traditional dynamic recrystallization grain size prediction model is obtained by regression processing; (5) the traditional crystal grain size prediction model is improved into a new model capable of predicting the dynamic recrystallization crystal grain size of the deformation process of the two-stage allergic rate. The method can accurately predict the size of the dynamic recrystallization grains of the forge piece under the deformation working condition of the variable strain rate, and provides an important technical support for reasonably establishing the hot working process of the nickel-based alloy.)

一种预测变应变速率工况下金属或合金材料动态再结晶晶粒 尺寸的方法

技术领域

本发明属于锻造技术领域，涉及一种预测变应变速率工况下金属或合金材料动态再结晶晶粒尺寸的方 法。

背景技术

镍基合金是一种典型的时效强化型合金，由于其具有优异的高温力学性能、耐腐蚀性、抗疲劳性以及 焊接性能，被广泛地应用于制备航空航天发动机及燃气轮机核心零部件，例如涡轮盘、叶片以及机匣等。 同时，在核工业、能源以及电力等领域也得到广泛应用。镍基合金为高合金化和低层错能材料，在热变形 过程中存在着动态再结晶晶粒形核与长大等冶金学机制，导致其晶粒组织演变极为复杂。晶粒组织的演变 影响材料的高温流变行为，同时也显著影响材料结构件的性能。通常，拥有均匀细小晶粒组织的材料结构 件，其具有高的强度、塑性、韧性、疲劳性能和抗腐蚀性能。动态再结晶过程是细化材料热变形过程中晶 粒的重要途径之一。定量表征热变形过程中材料结构件中的动态再结晶晶粒组织演变规律对优化材料的热 成形行为以及性能具有重要意义。所以，需要建立可以准确定量描述材料动态再结晶晶粒尺寸的预测模型。

目前，现有的传统动态再结晶晶粒尺寸模型仅可以预测恒温恒应变速率工况下材料动态再结晶晶粒尺 寸的演变规律，难以预测时变工况下，材料的动态再结晶晶粒组织演变规律。因此，迫切需要提出一种可 以准确定量预测变应变速率工况下材料的动态再结晶晶粒尺寸演变规律的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预测变应变速率工况下金属或合金材料动态再结晶晶粒尺寸的方法，该方 法可以通过热压缩模拟实验、金相实验以及回归方法，建立改进的动态再结晶晶粒尺寸预测模型，使其可 以准确描述金属或合金材料变应变速率热变形过程中动态再结晶晶粒尺寸，解决了传统模型难以预测时变 工况下材料动态再结晶晶粒尺寸的难题。

本发明解决上述难题的方案是：

步骤1：通过热压缩模拟实验，获得不同变形工况下试样的真应力-真应变实验数据，并通过水淬保留 热变形后的微观组织；

步骤2：利用金相显微镜获得不同变形工况下试样晶粒组织的金相图片；

步骤3：利用Image-Pro Plus软件统计分析金相图片中的晶粒组织，获得不同变形工况下变形样品的 动态再结晶晶粒尺寸；

步骤4：依据真应力-真应变实验数据，通过回归方法拟合实验数据确立传统的动态再结晶晶粒尺寸预 测模型中的材料常数，建立传统的动态再结晶晶粒尺寸预测模型为：

式中：d_drex和X_drex分别为动态再结晶晶粒尺寸和分数，ε为真应变，ε_0.5为动态再结晶达到50％时 的真应变，ε_c为动态再结晶发生时的真应变，A、n₁、m₁、Q、n、a₁、l₁、Q₁、a₂、l₂、Q₂为材 料常数，R为理想气体常数(8.314J·mol^-1·K^-1)。

步骤5：依据步骤4中建立的传统动态再结晶晶粒尺寸预测模型，建立改进的动态再结晶晶粒尺寸预 测模型为：

式中：材料常数A、n₁、m₁、Q、n、a₁、l₁、Q₁、a₂、l₂、Q₂与步骤4中的数值相同，R为 理想气体常数(8.314J·mol^-1·K^-1)。

附图说明

图1GH4169合金样品初始晶粒组织金相图；

图2通过热模拟压缩实验获得恒温恒应变速率下真应力-真应变曲线(T＝1010℃)；

图3恒温恒应变速率工况下GH4169合金的晶粒组织金相图：(a)T＝980℃-0.001s^-1；(b) T＝1010℃-0.01s^-1；

图4不同热变形工况下动态再结晶分数和晶粒尺寸；

图5变应变速率工况下的动态再结晶晶粒尺寸预测结果与实验结果对比图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明进行详细说明。

本发明为一种预测变应变速率工况下金属或合金材料动态再结晶晶粒尺寸的方法。下面以预测典型镍 基合金(GH4169合金)的动态再结晶晶粒尺寸为例,详细阐述本发明所涉及的具体实施细节,其方法包括:

步骤1：采用恒温恒应变速率热压缩模拟实验，获得不同变形工况下试样的真应力-真应变实验数据， 并通过水淬保留热变形后的微观组织。具体的热压缩模拟实验常数为：变形温度950～1010℃，应变速率为 0.001～1s^-1，变形程度为30％～70％。

步骤2：利用金相显微镜获得不同变形工况下试样晶粒组织的金相图片；通过线切割设备将步骤1中 热变形试样从中心沿着热压缩方向切开，对剖面进行机械磨光以及抛光处理。然后将试样的抛光表面浸入 抛光溶液(2.5gCuCl₂+50ml CH₃CH₂OH+50ml HCl)中腐蚀2～5分钟，接着利用酒精冲洗，然后吹干；最 后通过金相显微镜拍摄不同变形工况下试样晶粒组织的金相图片。典型的热压缩试样中心位置的金相图片 如图3所示。

步骤3：通过Image-Pro Plus软件统计分析金相图片中的晶粒组织，利用截线法定量测定动态再结晶 晶粒尺寸，每种热变形工况下试样中心位置不同区域取5～8张图片测定，然后取动态再结晶晶粒尺寸平均 值，依据相同方法，获得不同变形工况下变形样品的动态再结晶体积分数和晶粒尺寸。

步骤4：依据真应力-真应变实验数据和统计测得的不同热变形工况下动态再结晶分数和晶粒尺寸(如 图4所示)，采用最小二乘法，通过回归方法拟合实验数据确立传统的动态再结晶晶粒尺寸预测模型中的材 料常数A，n₁，m₁，Q，n，a₁，l₁，Q₁，a₂，l₂与Q₂的值，将拟合得到的材料常数代入到传统的动 态再结晶晶粒尺寸预测模型为：

式中：d_drex和X_drex分别为动态再结晶晶粒尺寸和分数，ε为真应变，ε_0.5为动态再结晶达到50％时 的真应变，ε_c为动态再结晶发生时的真应变，R为理想气体常数(8.314J·mol^-1·K^-1)。

步骤5：依据步骤4中建立的传统动态再结晶晶粒尺寸预测模型，建立改进的动态再结晶晶粒尺寸预 测模型为：

式中：材料常数A、n₁、m₁、Q、n、a₁、l₁、Q₁、a₂、l₂、Q₂与步骤4中的数值相同，R为理 想气体常数(8.314J·mol^-1·K^-1)。

为了验证所建立的改进型动态再结晶晶粒尺寸预测模型，设计了典型的两阶段变应变速率热压缩实验 方案，如表1所示。其中，变形温度为950℃、980℃和1010℃，应变速率设定为两阶段，第一阶段的应 变速率为0.01s^-1、0.1s^-1和1s^-1，第二阶段的应变速率都为0.001s^-1，应变速率发生转变处的真应变为0.36， 总应变为1.2，如表1所示。具体的热压缩实验步骤为：试样以10℃/s的加热速度升温到变形温度，分别 在第一阶段的应变速率(0.01s^-1、0.1s^-1和1s^-1)工况下压缩到真应变为0.36时，接着应变速率降低到0.001s^-1继续热压缩到总应变为1.2，然后立即通过冷水淬火保留热变形组织。

表1恒温变应变速率热压缩实验方案

图5为不同变应变速率工况下热变形试样心部位置动态再结晶晶粒尺寸实验值，与本发明提供的方法 建立的变应变速率动态再结晶晶粒尺寸模型预测值的对比图。结果表明，依据本发明提供的方法建立的动 态再结晶晶粒尺寸模型可以准确预测材料在时变工况下热变形过程中的晶粒组织演变规律。

上面结合附图对本发明的实例进行了描述，但本发明不局限于上述具体的实施方式，上面的具体实施 方式仅是示例性的，不是局限的，任何不超过本发明权力要求的发明创造，均在本发明的保护之内。