【摘要】：海洋油氣業(yè)已成為中國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。海洋油氣資源的開(kāi)采與利用離不開(kāi)海洋資源開(kāi)發(fā)裝備,如勘探、開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)等方面的大型工程裝備。目前,我國(guó)海洋工程裝備生產(chǎn)制造所需的高性能鋼板,尤其是特厚板仍大量依賴進(jìn)口。技術(shù)的落后嚴(yán)重制約我國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)的進(jìn)度及自主性,也限制了我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐。軋制成形是特厚板生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié),對(duì)某些特殊性能要求的鋼板,還要進(jìn)行熱處理改性。特厚板的厚度截面效應(yīng)(形變不均勻、溫度不均勻)是生產(chǎn)中面臨的普遍問(wèn)題,直接影響鋼板的組織性能均勻性。目前尚缺少有效的理論指導(dǎo)特厚板的生產(chǎn)實(shí)踐,大多以“試錯(cuò)法”組織生產(chǎn)。Ni-Cr-Mo-B鋼是一類新型低合金高強(qiáng)度鋼,其板材制品如厚板、特厚板可用于海洋工程裝備的制造。本文以Ni-Cr-Mo-B鋼為研究對(duì)象,首先研究其高溫流變行為、顯微組織演變及其數(shù)學(xué)建模、熱加工圖,進(jìn)一步進(jìn)行熱壓縮變形及特厚板軋制過(guò)程的跨尺度力-熱-顯微組織多場(chǎng)耦合分析,以期為生產(chǎn)實(shí)踐中Ni-Cr-Mo-B特厚板的熱加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考。材料高溫流變行為可通過(guò)本構(gòu)方程來(lái)表征。本構(gòu)方程是材料熱加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù),亦是力-熱耦合場(chǎng)分析的基礎(chǔ)。關(guān)于本構(gòu)方程建立方法的研究較多,但因流變行為的復(fù)雜性,尚無(wú)統(tǒng)一方法�；跓釅嚎s實(shí)驗(yàn),本文建立了描述Ni-Cr-Mo-B鋼流變行為的修正應(yīng)變補(bǔ)償Arrhenius型和修正ZA型本構(gòu)方程,并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP-ANN)對(duì)Ni-Cr-Mo-B鋼的流變行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度,本文對(duì)上述三種方法的流變行為表征能力進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：BP-ANN方法具有最高的預(yù)測(cè)精度,修正應(yīng)變補(bǔ)償Arrhenius型本構(gòu)方程預(yù)測(cè)精度略低于BP-ANN方法,而修正ZA型本構(gòu)方程的預(yù)測(cè)精度較粗糙。鑒于修正應(yīng)變補(bǔ)償Arrhenius型本構(gòu)方程具有良好的數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式,且具有令人滿意的預(yù)測(cè)精度,本文擇其用于Ni-Cr-Mo-B特厚鋼板軋制成形過(guò)程的跨尺度耦合場(chǎng)分析。本文研究了Ni-Cr-Mo-B鋼的熱變形顯微組織演變規(guī)律,結(jié)果表明：Ni-Cr-Mo-B鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為對(duì)變形溫度和應(yīng)變速率敏感。隨變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)增加,動(dòng)態(tài)軟化作用增強(qiáng),完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸增大。建立了基于Avrami方程的改進(jìn)Ni-Cr-Mo-B鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程,建立了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率因子(Z參數(shù))的數(shù)學(xué)模型,模型的顯微組織預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。此外,基于流變曲線,對(duì)Ni-Cr-Mo-B鋼的熱變形重要特征參數(shù)(峰值應(yīng)力、臨界應(yīng)變等)進(jìn)行了準(zhǔn)確識(shí)別,建立了特征參數(shù)與Z參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。基于動(dòng)態(tài)材料模型,本文構(gòu)建了Ni-Cr-Mo-B鋼的熱加工圖。分析表明：Ni-Cr-Mo-B鋼在較高應(yīng)變水平(真應(yīng)變0.7)存在兩個(gè)流變穩(wěn)定區(qū),對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)范圍為：溫度910℃-1030℃,應(yīng)變速率0.0067 s-1-0.15 s-1；溫度1030℃-1150℃,應(yīng)變速率0.06s-1～0.61 s-1。此外,熱加工圖中Ni-Cr-Mo-B鋼流變失穩(wěn)區(qū)呈現(xiàn)出低溫低應(yīng)變速率、高溫高應(yīng)變速率特征。生產(chǎn)中推薦在流變穩(wěn)定區(qū)操作。聯(lián)合運(yùn)用熱加工圖與本構(gòu)方程進(jìn)行材料的熱加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì),二者既互為驗(yàn)證,又互為補(bǔ)充,這在本文的研究過(guò)程中有很好的體現(xiàn)。特厚板的軋制過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非線性過(guò)程,有限元數(shù)值計(jì)算的不斷發(fā)展與完善,為軋制工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了途徑。基于有限元二次開(kāi)發(fā)技術(shù),本文對(duì)Ni-Cr-Mo-B特厚板的軋制過(guò)程進(jìn)行了變物性跨尺度力-熱-顯微組織多場(chǎng)耦合研究。顯微組織演變模型使用前述動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型和晶粒尺寸模型。二次開(kāi)發(fā)過(guò)程中,考慮了實(shí)際軋制的非穩(wěn)態(tài)性,對(duì)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)化處理,并對(duì)跨尺度耦合場(chǎng)分析方法以非穩(wěn)態(tài)軸向壓縮實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行驗(yàn)證,從而確保軋制過(guò)程耦合場(chǎng)分析的可靠性。分析結(jié)果表明：低速軋制(小于1 m·s-1)有利于變形向特厚板心部深入；大壓下量軋制,有利于改善特厚板厚度方向變形的不均勻性；高溫軋制有利于特厚板動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生,細(xì)化組織。推薦的特厚板軋制工藝為高溫低速大壓下量。此外,本文對(duì)需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的特厚板輥壓式淬火進(jìn)行了數(shù)值仿真。首先,基于輥壓式淬火物理過(guò)程分析以及傳熱學(xué)理論,研究了Ni-Cr-Mo-B特厚板輥壓式淬火冷卻過(guò)程的數(shù)值仿真方法。經(jīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,本文提出的淬火仿真方法是有效的。進(jìn)一步,研究了表面冷卻速度對(duì)特厚板厚度截面溫度分布的影響。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)提高淬火表面冷卻速度,可以增大鋼板內(nèi)部的冷卻速度,削弱溫度截面效應(yīng),改善鋼板顯微組織與性能的不均勻性；受鋼板“大厚度”影響,進(jìn)一步提高表面冷卻速度雖然可以使鋼板表面快速冷卻,但是無(wú)助于提高特厚板心部的冷卻速度。實(shí)踐中需根據(jù)具體工況選擇合適的淬火冷卻速度。以上研究結(jié)果可為Ni-Cr-Mo-B鋼的熱加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)及顯微組織控制提供理論指導(dǎo)。本文研究?jī)?nèi)容體現(xiàn)了計(jì)算、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)三者的緊密聯(lián)系,是材料基因組計(jì)劃(MGI)框架下材料工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)模式的嘗試和探索。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG142.1;TG335

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張海燕;張偉紅;張士宏;;GH4169合金渦輪盤(pán)鍛造過(guò)程中的組織預(yù)測(cè)[J];計(jì)算機(jī)輔助工程;2006年S1期

，

本文編號(hào)：2366736