等通道弯角挤压（ECAP）变形机理数值模拟与实验研究

论文摘要

材料的内在微观结构对外在宏观特性具有重要影响，材料晶粒平均尺寸越小其屈服强度和硬度越高，因此寻求可有效细化晶粒的工艺对于开发力学性能优越的材料具有重要的工业应用前景。Segal等上世纪七十年代末期提出的等通道弯角挤压（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）工艺可以将块状材料晶粒细化至1μm以下，获得超细晶粒材料（包括亚微米和纳米材料）。与其它制备工艺相比，等通道弯角挤压过程具有工艺简单，生产成本低等显著优点，且该工艺能获得无疏松孔洞的材料，有效避免了残留孔隙对材料产生的不良影响。块体超细晶粒材料具有大量与众不同的特性，可做超高强度材料、智能金属材料和超塑性材料等。 ECAP工艺细化机理在于累积足够应变使挤压件达到晶粒细化，因此，获得挤压过程晶粒细化的演化机理具有十分重要的意义。本文通过数值模拟分析与实验研究相结合的方法开展对ECAP工艺的研究。采用商品化塑性成形有限元软件CASFORM／PC和DEFORM-3D对ECAP工艺进行大量数值模拟，通过分析模具几何形状以及工艺参数对挤压过程的影响，获得挤压过程的变形机理与合适的工艺参数。针对单道次挤压变形不均匀的问题，采用节点映射法实现ECAP工艺多道次挤压有限元分析，获得了不同工艺路线最终挤压件变形均匀性规律。在数值模拟分析结果的基础上，设计了ECAP实验模具并规划了挤压工艺方案，获得了纯铝逐道次挤压件，采用彩色光学显微、电子透射和高分辨等分析手段获得了挤压件内部微观组织演化规律以及内部结构变化特征。 本文讨论了经典塑性力学求解ECAP变形问题，给出了ECAP工艺的力学机理，分析了ECAP工艺的变形特点并给出了刚塑性／刚粘塑性有限元求解过程，规划了采用CASFORM／PC与DEFORM-3D有限元模拟系统分析等圆形与等方形通道弯角挤压工艺变形机理的方案。研究表明，模具几何形状和摩擦条件对ECAP挤压过程具有重要影响。对于模具拐角和模具圆心角的取值范围应慎重考虑。在取得较合适的模具几何形状的前提下，应尽量减小摩擦以利于挤压件的挤出。单道次挤压获得的挤压件的变形分布沿挤压件中心横截面竖直方向变形分布不均

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 剧烈塑性变形（SPD）方法与块体超细晶材料
• 1.2.1 剧烈塑性变形方法
• 1.2.2 超细晶材料
• 1.3 块体超细晶材料性能、应用及其发展
• 1.3.1 块体超细晶材料的性能
• 1.3.2 块体超细晶材料应用与发展
• 1.4 等通道弯角挤压过程研究现状
• 1.4.1 等通道弯角挤压过程研究进展
• 1.4.2 等通道弯角挤压过程有限元数值模拟研究
• 1.5 等通道弯角挤压过程研究存在的问题及本文的研究方法
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 ECAP力学机理与刚塑性有限元理论
• 2.1 引言
• 2.2 刚塑性/刚粘塑性力学基本方程
• 2.2.1 刚塑性/刚粘塑性材料基本假设
• 2.2.2 塑性力学基本方程
• 2.3 ECAP经典塑性力学分析
• 2.3.1 滑移线法
• 2.3.2 几何推导法
• 2.3.3 上限法
• 2.3.4 ECAP变形特点
• 2.4 刚塑性有限元法
• 2.4.1 刚塑性/刚粘塑性有限元变分原理
• 2.4.2 刚塑性/刚粘塑性有限元求解过程
• 2.5 有限元模拟系统
• 2.5.1 有限元模拟系统的组成
• 2.5.2 有限元模拟系统的发展过程
• 2.5.3 本文采用的有限元模拟系统
• 2.6 ECAP有限元分析方法
• 2.7 本章小结
• 第三章 方形挤压件等通道弯角挤压过程数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 数值模拟分析平台的建立
• 3.3 有限元数值模拟
• 3.3.1 有限元模型
• 3.3.2 多道次挤压工艺路线
• 3.3.3 节点映射法
• 3.3.4 挤压过程变形行为与分析方法
• 3.4 方形挤压件ECAP工艺受力分析
• 3.4.1 模具几何形状分析
• 3.4.2 摩擦条件分析
• 3.5 方形挤压件ECAP变形分布研究
• 3.5.1 模具几何形状分析
• 3.5.2 摩擦条件分析
• 3.6 多道次挤压变形均匀性研究
• 3.6.1 多道次挤压对累积变形均匀性的影响
• 3.6.2 不同模具拐角多道次挤压变形均匀性规律
• 3.7 本章小结
• 第四章 方形挤压件ECAP模具设计与实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 冷挤压组合模具设计
• 4.2.1 预应力组合凹模设计
• 4.2.2 凸模设计
• 4.3 ECAP实验规划
• 4.3.1 实验条件
• 4.3.2 工艺路线规划
• 4.3.3 挤压件准备
• 4.4 工业纯铜实验结果分析
• 4.4.1 ECAP挤压件变形分析
• 4.4.2 ECAP挤压件微观组织分析
• 4.4.3 ECAP挤压件硬度分析
• 4.5 工业纯铝实验结果分析
• 4.5.1 挤压变形实验
• 4.5.2 单道次挤压对组织分布影响
• 4.5.3 多道次挤压变形微观组织演化
• 4.5.4 挤压材料内部结构高分辨电镜分析
• 4.5.5 ECAP挤压件硬度分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 圆形挤压件等通道弯角挤压过程数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 数值模拟分析平台
• 5.3 三维有限元数值模拟
• 5.3.1 三维有限元模型
• 5.3.2 多道次挤压工艺路线
• 5.3.3 节点映射法
• 5.3.4 挤压变形分析方法
• 5.3 ECAP工艺受力分析
• 5.3.1 模具几何形状分析
• 5.3.2 摩擦条件分析
• 5.4 圆形挤压件ECAP变形分布研究
• 5.4.1 模具几何形状分析
• 5.4.2 摩擦条件分析
• 5.5 多道次挤压变形均匀性研究
• 5.5.1 多道次挤压对累积变形均匀性的影响
• 5.5.2 不同模具拐角多道次挤压变形均匀性规律
• 5.6 本章小结
• 第六章 圆形挤压件ECAP模具设计与实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 等圆形通道模具及其改进
• 6.3 ECAP工艺规划
• 6.3.1 实验条件
• 6.3.2 工艺路线规划
• 6.3.3 挤压件准备
• 6.4 工业纯铝实验结果分析
• 6.4.1 挤压件变形
• 6.4.2 挤压材料微观组织分布
• 6.4.3 多道次挤压微观组织演化
• 6.4.5 ECAP挤压件硬度分析
• 6.5 结论
• 第七章 等通道弯角挤压工艺开发研究
• 7.1 引言
• 7.2 基于ECAP的新工艺
• 7.2.1 多拐角ECAP工艺
• 7.2.2 连续ECAP工艺
• 7.3 多拐角ECAP有限元分析
• 7.3.1 有限元模型
• 7.3.2 挤压变形分析方法
• 7.3.3 多拐角ECAP工艺受力分析
• 7.3.4 多拐角ECAP工艺变形均匀性研究
• 7.3.5 两拐角ECAP工艺开发研究
• 7.4 连续ECAP工艺有限元分析
• 7.4.1 有限元模型
• 7.4.2 挤压变形分析
• 7.4.3 模具拐角对CECAP挤压过程的影响
• 7.4.4 模具圆心角对连续等通道弯角挤压过程的影响
• 7.4.5 摩擦条件分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间完成的论文
• 攻读博士学位期间参与完成的科研项目
• 攻读博士学位期间获得的奖励
• 学位论文评阅及答辩情况表