1、決定金屬宏觀力學性能的主要因素是微觀組織，在金屬的熱鍛成形過程中，微觀組織會發(fā)生動態(tài)回復、動態(tài)再結晶、靜態(tài)回復、靜態(tài)再結晶和亞動態(tài)再結晶等一系列變化，形成新的晶粒。在給定材料成分的條件下，變形溫度、應變速率和應變量是影響晶粒演化的主要宏觀因素。因此，如何通過控制熱鍛成形過程中的溫度、變形速度和變形量，來達到控制金屬的微觀組織以及產品的力學性能的目的，是近年來熱鍛成形研究中的熱點問題。本文以汽輪機葉片鍛造用馬氏體不銹鋼X20Cr13為主要

2、研究對象，基于熱壓縮實驗數(shù)據(jù)，建立微觀組織演變的數(shù)學模型，以商用有限元軟件為平臺，開發(fā)適合熱鍛過程的有限元變形-傳熱-微觀組織演化耦合分析系統(tǒng)，實現(xiàn)復雜零件熱鍛過程多物理場數(shù)值仿真，以期為制定復雜鍛件的鍛造工藝提供依據(jù)。本文的主要研究工作如下：
　　在Gleeble-1500D熱模擬實驗機上，對X20Cr13馬氏體不銹鋼進行了單道次等溫熱壓縮實驗，獲得了其高溫流變應力曲線。研究了不同變形溫度和應變速率條件下的材料流變規(guī)律，基于Ar

3、rhenius方程，考慮應變補償，建立了材料流變應力模型，計算值與實驗值的絕對誤差平均值為3.30％，表明該模型可以比較準確地描述流變應力與變形條件的關系。計算得到X20Cr13馬氏體不銹鋼的動態(tài)再結晶激活能為359.402 kJ/mol?；趧討B(tài)材料模型理論，采用Prasad失穩(wěn)準則，分析了應變速率敏感系數(shù)隨變形溫度、應變速率及應變的變化規(guī)律，建立了X20Cr13馬氏體不銹鋼的加工圖。通過對功率耗散率和非穩(wěn)參數(shù)的分析，確定了X20Cr

4、13馬氏體不銹鋼實驗條件下的最佳工藝參數(shù)范圍，為該材料實際工藝的制定提供了指導。
　　基于等溫熱壓縮實驗獲得的高溫流變應力曲線，通過回歸分析得到了流變應力曲線峰值應變、峰值應力、穩(wěn)態(tài)應變、穩(wěn)態(tài)應力的表達式；通過對應力/峰值應力-應變/峰值應變的分析，提出了馬氏體不銹鋼動態(tài)再結晶發(fā)生的臨界應變的數(shù)學表達式。采用該模型確定的X20Cr13馬氏體不銹鋼臨界應變值與通過加工硬化率-應力曲線方法獲得的值相近，證明了該模型的有效性。
　

5、　基于金相實驗分析，建立了動態(tài)再結晶動力學模型和晶粒尺寸模型。以位錯密度和晶粒尺寸為內變量，并考慮動態(tài)再結晶對于位錯密度的影響，建立了X20Cr13鋼基于內部變量的高溫流變應力模型。該模型將回復參數(shù)分解為與變形溫度有關的分量和與應變速率有關的分量，采用不同變形條件下臨界應變之前的實驗數(shù)據(jù)來確定硬化參數(shù)和回復參數(shù)。將由于動態(tài)再結晶導致的位錯密度變化表示為平均晶粒尺寸的函數(shù)，將比例系數(shù)分解為與變形溫度有關的分量和與應變速率有關的分量，采用不

6、同變形條件下臨界應變之后的實驗數(shù)據(jù)進行擬合并采用三階多項式來表達。該模型考慮了微觀組織變化對宏觀應力的影響，預測精度較高，為后續(xù)多物理場數(shù)值仿真提供了理論基礎。
　　采用雙道次熱壓縮實驗，分析了X20Cr13鋼亞動態(tài)再結晶和靜態(tài)再結晶行為。金相分析表明：靜態(tài)再結晶晶粒尺寸主要受初始奧氏體晶粒尺寸和應變量的影響，而亞動態(tài)再結晶晶粒尺寸主要受變形溫度和應變速率的影響。計算得到了X20Cr13馬氏體不銹鋼的靜態(tài)再結晶激活能為258.94

7、2 kJ/mol，亞動態(tài)再結晶激活能為271.645 kJ/mol，并建立了靜態(tài)軟化過程再結晶動力學模型和晶粒尺寸模型，為熱鍛過程多物理場數(shù)值仿真提供了基礎。
　　建立了X20Cr13馬氏體不銹鋼鍛造過程的多物理場耦合分析系統(tǒng)，進行了非穩(wěn)態(tài)熱壓縮試驗，驗證了動態(tài)再結晶體積分數(shù)和平均晶粒尺寸數(shù)值仿真結果與試驗結果的一致性。分析表明本文建立的流變應力模型和微觀組織演化模型預測精度較高，并采用該系統(tǒng)首次對X20Cr13馬氏體不銹鋼汽輪機