看DEFORM在高温合金微观组织计算中的应用

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DEFORM是一套基于有限元分析方法的专业工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关的各种成形工艺和热处理工艺。DEFORM 不同于一般的有限元程序，是专为金属成形而设计、为工艺设计师量身定做的软件，可以用于模拟零件制造的全过程，从成形、热处理到机加工，帮助设计人员在制造周期的早期能够检查、了解和修正潜在的问题或缺陷。本文为大家介绍DEFORM高温合金微观组织计算应用。

IN-625是一种常用于航天、航海和能源行业的高温镍基合金，主要用于高腐蚀、高温和高强度环境下。高温下的强度必然导致极大的锻造载荷，因此在生产少量锻件以后，模具经常发生失效。

细化晶粒是IN-625合金的强化机制，如下图所示。细晶粒的锻件相比粗晶粒锻件具有更高的屈服和抗拉强度值。另外，在高温下单个晶粒生长迅速，因此为了满足机械性能要求，将使用较低的锻造温度。

随着温度的降低，IN-625合金变形需要的流动应力迅速增加。相反的，在较高温度下锻造高温合金充满模具型腔过程具有低的流动应力，需要锻造载荷也较低。高温锻造减少了模具中的应力，从而增加了模具寿命。因此，从模具的角度来看，较高的锻造温度是优选的。

不幸的是，这些相互竞争的过程正朝着相反的方向发展。锻造温度越低，晶粒越细，强度性能越好。而较高的锻造温度又能提高模具寿命。

合金的锻造过程是通过动态、亚动态和静态再结晶来细化晶粒尺寸。没有简单的设计方法可以确保锻件在不损坏模具的情况下满足机械性能要求。

在DEFORM模拟中，JMAK模型提供了锻件晶粒尺寸的实际估计。DEFORM模拟还允许借助模具应力分析来预测模具失效的可能性。因此，锻造工程师可以研究折衷方案以成功地锻造IN-625合金零件。

美国DF公司在生产一个IN-625合金的锻件时，由于零件为了满足强度要求，需要在低温下锻造，但在锻打过程中存在严重的模具失效问题。模具应力分析计算后，发现了与几次实际锻造后发生的断裂相符的过度拉伸应力（上图红**域）。在PRO-FAST开发晶粒尺寸模型的项目中，波特兰州立大学测试了IN-625，为晶粒尺寸模型提供数据。对典型的IN-625锻件进行了温度、应变速率和应变范围的测试。这些试验被用来建立再结晶和晶粒生长模型。

JMAK模型在DEFORM软件锻造模拟中可以运行，该模型在零件水平上预测平均晶粒尺寸和再结晶百分数。20多年来，IN-718在航天领域的应用已证明是一种实用的生产工程工具。一旦执行了测试，测试数据就可以用来定义所需材料类型的JMAK变量。在大多数零件中，期望是预测一个或两个零件的ASTM晶粒尺寸。

使用DEFORM Material Suite模块将测试数据拟合到JMAK方程。用于动态再结晶的方程如下所示。

下图是晶粒生长的图形表示，它是温度的强函数。

手工拟合这些复杂的方程需要大量迭代，冗长且耗时，没有直接的解决方案。DEFORM Material Suite模块中有工具可以显著地减少这种工作（从一周或更长时间到几个小时），并获得极好的结果。

新晶粒尺寸模型的首次研究是在美国DF锻造厂的锤上锻造IN-625合金零件上。锻件的横截面显示了通过中心截面的晶粒尺寸分布。实际生产的锻件中心粒度为ASTM 4，DEFORM软件使用新模型预测的晶粒尺寸为ASTM 4.5。在1.5个ASTM点内预测了表面微观结构。在加利福尼亚州安姆福雷的另一个压力锻造厂也进行了新模型的试验，晶粒度预测精度同样令人印象深刻。