高压扭转成形过程数值模拟及试验

论文摘要

大塑性变形法（severe plastic deformation, SPD）是一种制备块体超细晶（ultra-fine grained, UFG）材料的新型塑性加工方法。作为大塑性变形法的典型代表,高压扭转法（high-pressure torsion, HPT）能显著细化晶粒,提高材料的力学性能,已成为材料科学与工程领域内的研究热点。高压扭转过程中,试样内部的微观组织结构与变形量、温度等宏观场量参数存在密切的联系,因此获得试样在变形过程中材料的流动信息和相关场量参数的大小及分布状况,对于选择合理的工艺参数、优化模具结构以及实现对变形过程的主动控制都是十分重要。本文针对无约束高压扭转的特点,使用三维造型软件UG建立了三维几何模型,并将模型导入3D有限元模拟软件DEFORM-3D中,从而建立了用于HPT工艺分析的有限元模型。通过对HPT过程的有限元分析,获得了材料在HPT过程中流动信息、变形行为、温度分布等场量信息。数值模拟结果表明,高压扭转可以使材料获得大的塑性变形量,试样的温度分布特征与等效应变分布特征较为一致,坯料与模具之间存在着较大的相对滑动,因此坯料的实际扭转角度与下模的旋转角度差别很大。在上述研究的基础上,对不同工艺参数条件下的HPT过程进行了全面的数值模拟,对坯料的应变、相对扭转角度、下模的扭矩等信息进行了获取和分析。模拟结果表明,摩擦因子影响着坯料径向的等效应变分布,其中当摩擦系数为1时,坯料径向的等效应变呈“M”型分布;摩擦因子、扭转圈数、压力和温度的增加有助于增大坯料的等效应变及相对扭转角度,但变形温度应避开钢的脆性转变区;高径比对坯料相对扭转角度的影响不大,但高径比的减小可以提高坯料轴向的变形均匀性。本文在有限元模拟分析的基础上,设计了试验模具,利用实验室现有2000KN压扭液压机,对退火态的20CrMnTi坯料进行了高压扭转试验,研究了不同扭转圈数和压力对材料显微组织和显微硬度的影响。试验结果表明,高压扭转后,试样子午面上距中心5mm处的显微组织最为细小、显微硬度值最高,显微硬度沿试样径向也呈“M”型分布,这与有限元模拟中坯料径向的等效应变分布的趋势较为一致,可以认为本文所建立的有限元模型是可靠的;随着压力的升高和扭转圈数的增加,试样子午面和端面的组织趋于细小均匀,珠光体沿试样径向呈针状或细带状分布在铁素体基体上,显微硬度显著升高;高压扭转过程中在较低压力下扭转较多圈数与在较高压力下扭转较少圈数所获得的组织十分相似,说明增大压力和增加扭转圈数对增大试样的变形程度、促使晶粒细化都是十分重要的。目前,高压扭转法较多的应用在制备超细晶材料方面,也有望应用于航空航天及医学领域。本文以纯铝粉末材料为研究对象,将高压扭转法应用于粉末烧结体锥形件的制备。有限元模拟表明HPT工艺可以有效地提高锥形件的致密度。在模拟的基础上进行了试验,成功制备出铝粉烧结体锥形件,并对锥形件进行了金相观察、显微硬度测量及相对密度测量。模拟和试验结果表明,锥形件整体的致密度达到0.98以上。HPT过程中试样顶部和边缘处的变形量不同,顶部的变形量小,该处致密度在变形后有所提高,加工硬化效果不明显,显微硬度仅为41.6kg/mm2;边缘处的变形量大,组织方向性更强,内部孔隙的平均尺寸仅2μm,致密度显著提高,加工硬化效果显著,显微硬度达到61.12kg/mm2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 大塑性变形法简介
• 1.2 高压扭转工艺
• 1.2.1 高压扭转工艺的特点
• 1.2.2 HPT 工艺研究现状
• 1.2.3 HPT 过程中等效应变的计算
• 1.2.4 HPT 工艺的影响因素
• 1.2.5 高压扭转法的应用
• 1.3 课题的来源、目的和意义及研究内容
• 1.3.1 课题的来源
• 1.3.2 课题的目的和意义
• 1.3.3 课题的研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 高压扭转法成形饼坯的数值模拟研究
• 2.1 模型的建立
• 3D 软件的介绍'>2.1.1 DEFORM₃D 软件的介绍
• 2.1.2 模型各部分的生成
• 2.1.3 模型的导出
• 2.1.4 材料参数设置
• 2.1.5 单元数量的确定
• 2.2 高压扭转过程工艺分析
• 2.2.1 变形过程分析
• 2.2.2 等效塑性应变分布
• 2.2.3 静水压力分布
• 2.2.4 温度场的分布
• 2.3 本章小结
• 第三章 不同工艺参数对高压扭转过程的影响
• 3.1 模拟中相关的工艺参数
• 3.2 不同工艺参数的影响
• 3.2.1 摩擦因子的影响
• 3.2.2 高径比的影响
• 3.2.3 扭转圈数的影响
• 3.2.4 压力的影响
• 3.2.5 温度的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 20CrMnTi 材料的高压扭转试验
• 4.1 试验材料的制备
• 4.2 试验设备
• 4.2.1 热处理设备
• 4.2.2 高压扭转设备
• 4.2.3 其他设备
• 4.3 试验方法
• 4.3.1 HPT 试验方案
• 4.3.2 显微组织观察
• 4.3.3 显微硬度测量
• 4.4 试验结果及理论分析
• 4.4.1 显微组织形貌
• 4.4.2 显微硬度
• 4.4.3 试验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 高压扭转法的应用—纯铝粉末烧结体锥形件的制备
• 5.1 有限元模型及模拟结果分析
• 5.1.1 可压缩性材料的屈服准则
• 5.1.2 有限元模型
• 5.1.3 模拟结果分析
• 5.2 试验方法、结果及分析
• 5.2.1 试验方法
• 5.2.2 试验结果
• 5.2.3 试验结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参加的项目
• 攻读硕士学位期间发表的论文