Ti-6Al-4V钛合金等通道转角挤压的数值模拟

论文摘要

超细晶材料在保持较好韧性的同时，显著地提高材料强度，同时在疲劳强度、热稳定性和超塑性工艺等方面表现出优异的性能。等通道转角挤压（EqualChannel Angular Pressing，简称ECAP）能在不改变外部尺寸的基础上获得大应变，制备出微观结构均匀细化的三维大尺寸块体材料，是制备超细晶材料的先进技术。本文应用数值模拟技术，考虑晶粒细化的要求，获得了较优的ECAP工艺参数范围，同时为研究变形工艺参数与微观组织演变的关系奠定了基础。 本文以Ti-6Al-4V钛合金高温变形行为研究为基础，结合Ti-6Al-4V钛合金的热加工图，研究了变形工艺参数对Ti-6Al-4V钛合金高温变形的影响，建立了Ti-6Al-4V钛合金的流动应力模型，该模型较好地反映了变形行为与变形温度、应变速率、应变之间的关系，计算值与实验值的平均相对误差为8.84％，最大相对误差不超过13.9％。 建立了ECAP数值模拟模型，对ECAP变形过程进行了变形一传热耦合模拟，研究了挤压温度、挤压速度、摩擦条件和挤压角对ECAP变形后等效应变场、等效应力场、温度场和挤压载荷的影响，为制定合理的ECAP变形工艺方案提供了技术支持。 利用自行设计的ECAP模具，根据数值模拟确定的挤压工艺参数范围，实现了Ti-6Al-4V钛合金的ECAP变形。研究了挤压温度、挤压速度和挤压道次对材料微观组织和力学性能的影响，进一步降低挤压温度、增加挤压速度和挤压道次有利于晶粒细化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 本文的创新点及主要贡献
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛合金及其组织细化技术
• 1.2.1 钛合金的发展与应用
• 1.2.2 组织细化技术
• 1.3 ECAP变形技术
• 1.3.1 ECAP概论
• 1.3.2 ECAP细化晶粒的影响因素
• 1.3.3 ECAP超细晶结构的形成机制
• 1.3.4 ECAP的计算机模拟
• 1.4 本文研究的目的与意义
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 变形─传热耦合分析的基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 传热学基本方程
• 2.2.1 热平衡微分方程
• 2.2.2 初始、边值条件
• 2.3 热传导中的变分原理及有限元求解列式
• 2.3.1 变分原理
• 2.3.2 有限元求解列式
• 2.4 热传导方程的差分格式及解的稳定性
• 2.5 塑性变形和传热过程的耦合分析技术
• 2.5.1 变形─传热耦合分析的算法
• 2.5.2 变形体与摸具接触面上热边界条件的处理
• 2.6 本章小结
• 第3章 高温变形行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 热变形行为研究
• 3.2.1 高温力学实验
• 3.2.2 变形行为分析
• 3.2.3 变形激活能
• 3.3 Ti-6Al-4V 钛合金的热加工图
• 3.3.1 建立热加工图的原理和方法
• 3.3.2 热加工图的建立与分析
• 3.4 流动应力模型研究
• 3.5 Ti-6Al-4V钛合金高温变形时的流动应力模型
• 3.5.1 流动应力模型
• 3.5.2 模型验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 Ti-6Al-4V钛合金ECAP过程的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 数值模拟条件
• 4.2.1 相关模型
• 4.2.2 模拟工艺方案
• 4.3 二维数值模拟结果与分析
• 4.3.1 变形过程
• 4.3.2 挤压温度的影响
• 4.3.3 挤压速度的影响
• 4.3.4 摩擦因子的影响
• 4.3.5 挤压角的影响
• 4.3.6 位移─载荷曲线
• 4.4 连续 ECAP的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第5章 Ti-6Al-4V钛合金的等通道转角挤压
• 5.1 引言
• 5.2 ECAP实验和研究方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 试样制备
• 5.2.3 实验过程
• 5.2.4 显微组织观察
• 5.2.5 性能测试
• 5.3 微观组织演变及性能
• 5.3.1 挤压温度对一道次 ECAP后显微组织的影响
• 5.3.2 挤压速度对显微组织的影响
• 5.3.3 挤压道次对显微组织的影响
• 5.3.4 力学性能的变化
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢