摘要
钛及钛合金因密度小、强度高、耐磨性好等特点，应用于航天、船舶及医疗等领域。常温下钛合金的塑性较差，采用热加工能够显著改善其可成形性能，由于钛合金对温度及应变速率十分敏感，热轧过程中，极易出现边裂现象，严重时裂纹扩展使得板材报废。随着计算机仿真技术的发展，板材制造逐渐向数字化、低成本及高质量的方向发展，数值仿真作为一种新的手段，可以对钛合金热轧工艺中裂纹产生的进行预测和控制。 首先，本文采用Gleeble-1500D试验机对TC4钛合金进行了温度800℃、850℃、900℃、950℃和1000℃，应变速率0.01s-1、0.1s-1、1s-1和5s-1的热压缩试验。通过观察TC4合金的金相照片，研究其组织演变规律。基于响应面法对Hansel-Spittel高温本构模型进行优化反求，相关系数(R)和平均误差(AARE)的值分别为0.9998和0.0484，表明建立的Hansel-Spittel模型具有较高的预测精度，为有限元的精确模拟提供了必要条件。为了研究TC4钛合金高温下的成形性能，建立了TC4合金三维热加工图,通过分析不同应变、温度和应变速率下TC4的可成形性能，得到该材料最佳热加工窗口。 为了研究高温下TC4钛合金的损伤行为，对TC4钛合金进行了温度800~1000℃，应变速率0.01~5s-1热拉伸试验。通过优化算法与有限元结合，确定了TC4钛合金在NormalizedCockcroftamp;Latham、Oyane和Riceamp;Tracey三种损伤模型不同条件下的临界损伤值。考虑变形温度与应变速率对损伤的影响，建立了NormalizedCockcroftamp;Latham、Oyane和Riceamp;Tracey三种高温损伤模型。最后，将它们嵌入Forge?软件中，模拟TC4拉伸试验，比较模拟与试验的断裂长度，相关系数分别为0.997，0.989和0.973，且NormalizedCockcroftamp;Latham高温损伤模型模拟结果与试验断口具有相近的颈缩程度。表明在三个高温损伤模型中，NormalizedCockcroftamp;Latham模型更适合预测TC4钛合金的损伤行为。 基于NormalizedCockcroftamp;Latham高温损伤模型，应用有限元软件Forge?的点追踪功能，研究TC4钛合金拉伸式样不同部位损伤值与应力三轴度的变化规律。通过建立TC4钛合金损伤曲面，分析了不同变形条件对材料断裂应变的影响规律。对TC4钛合金拉伸断口进行观察，以研究该材料的损伤规律。 制定了TC4钛合金板材九道次热轧工艺方案，并建立TC4钛合金热轧有限元模型，采用Forge?对钛合金板材成形过程进行了模拟，分析TC4合金各道次热轧工艺的温度场及损伤场演变情况。最后采用1450mm四辊可逆热轧机对TC4钛合金进行热轧，模拟结果与实验的一致性证明了通过有限元仿真控制裂纹产生的有效性。
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