高壓扭轉(zhuǎn)成形過程數(shù)值模擬及試驗(yàn).pdf

1、大塑性變形法(SPD)是一種制備塊體超細(xì)晶(UFG)材料的新型塑性加工方法。作為大塑性變形法的典型代表，高壓扭轉(zhuǎn)法(HPT)能顯著細(xì)化晶粒，提高材料的力學(xué)性能，已成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。
　　 高壓扭轉(zhuǎn)過程中，試樣內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)與變形量、溫度等宏觀場(chǎng)量參數(shù)存在密切的聯(lián)系，因此獲得試樣在變形過程中材料的流動(dòng)信息和相關(guān)場(chǎng)量參數(shù)的大小及分布狀況，對(duì)于選擇合理的工藝參數(shù)、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)變形過程的主動(dòng)控制都是十分重

2、要。本文針對(duì)無約束高壓扭轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，使用三維造型軟件UG建立了三維幾何模型，并將模型導(dǎo)入3D有限元模擬軟件DEFORM-3D中，從而建立了用于HPT工藝分析的有限元模型。通過對(duì)HPT過程的有限元分析，獲得了材料在HPT過程中流動(dòng)信息、變形行為、溫度分布等場(chǎng)量信息。數(shù)值模擬結(jié)果表明，高壓扭轉(zhuǎn)可以使材料獲得大的塑性變形量，試樣的溫度分布特征與等效應(yīng)變分布特征較為一致，坯料與模具之間存在著較大的相對(duì)滑動(dòng)，因此坯料的實(shí)際扭轉(zhuǎn)角度與下模的旋轉(zhuǎn)角度差

3、別很大。
　　 在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同工藝參數(shù)條件下的HPT過程進(jìn)行了全面的數(shù)值模擬，對(duì)坯料的應(yīng)變、相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度、下模的扭矩等信息進(jìn)行了獲取和分析。模擬結(jié)果表明，摩擦因子影響著坯料徑向的等效應(yīng)變分布，其中當(dāng)摩擦系數(shù)為1時(shí)，坯料徑向的等效應(yīng)變呈“M”型分布；摩擦因子、扭轉(zhuǎn)圈數(shù)、壓力和溫度的增加有助于增大坯料的等效應(yīng)變及相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度，但變形溫度應(yīng)避開鋼的脆性轉(zhuǎn)變區(qū)；高徑比對(duì)坯料相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度的影響不大，但高徑比的減小可以提高坯料軸

4、向的變形均勻性。
　　 本文在有限元模擬分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)＞?，利用?shí)驗(yàn)室現(xiàn)有2000KN壓扭液壓機(jī)，對(duì)退火態(tài)的20CrMnTi坯料進(jìn)行了高壓扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，研究了不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)和壓力對(duì)材料顯微組織和顯微硬度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，高壓扭轉(zhuǎn)后，試樣子午面上距中心5mm處的顯微組織最為細(xì)小、顯微硬度值最高，顯微硬度沿試樣徑向也呈“M”型分布，這與有限元模擬中坯料徑向的等效應(yīng)變分布的趨勢(shì)較為一致，可以認(rèn)為本文所建立的有限元模型是可靠的；

5、隨著壓力的升高和扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增加，試樣子午面和端面的組織趨于細(xì)小均勻，珠光體沿試樣徑向呈針狀或細(xì)帶狀分布在鐵素體基體上，顯微硬度顯著升高；高壓扭轉(zhuǎn)過程中在較低壓力下扭轉(zhuǎn)較多圈數(shù)與在較高壓力下扭轉(zhuǎn)較少圈數(shù)所獲得的組織十分相似，說明增大壓力和增加扭轉(zhuǎn)圈數(shù)對(duì)增大試樣的變形程度、促使晶粒細(xì)化都是十分重要的。
　　 目前，高壓扭轉(zhuǎn)法較多的應(yīng)用在制備超細(xì)晶材料方面，也有望應(yīng)用于航空航天及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。本文以純鋁粉末材料為研究對(duì)象，將高壓扭轉(zhuǎn)法應(yīng)用

6、于粉末燒結(jié)體錐形件的制備。有限元模擬表明HPT工藝可以有效地提高錐形件的致密度。在模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)，成功制備出鋁粉燒結(jié)體錐形件，并對(duì)錐形件進(jìn)行了金相觀察、顯微硬度測(cè)量及相對(duì)密度測(cè)量。模擬和試驗(yàn)結(jié)果表明，錐形件整體的致密度達(dá)到0.98以上。HPT過程中試樣頂部和邊緣處的變形量不同，頂部的變形量小，該處致密度在變形后有所提高，加工硬化效果不明顯，顯微硬度僅為41.6kg/mm2；邊緣處的變形量大，組織方向性更強(qiáng)，內(nèi)部孔隙的平均尺寸僅2