本文關(guān)鍵詞：粉末多孔材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓數(shù)值模擬及實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《合肥工業(yè)大學》 2008年

粉末多孔材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓數(shù)值模擬及實驗研究

周明智  

【摘要】： 大塑性變形法(severe plastic deformation,SPD)是一種制備塊體超細晶材料的新型塑性加工方法。作為大塑性變形法的典型代表,等通道轉(zhuǎn)角擠壓法(equal channel angular extrusion,ECAE)能顯著細化晶粒,且具有一定的工業(yè)應用潛力,已成為材料科學與工程領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。 粉末冶金材料是材料領(lǐng)域內(nèi)的重要組成部分,由于孔隙的存在,使其物理和力學性能受到影響。消除孔隙、改善組織結(jié)構(gòu),提高材料綜合力學性能是粉末冶金技術(shù)和塑性變形工藝的重要目標。當前,大塑性變形工藝的主要對象是致密材料,對粉末冶金材料的相關(guān)研究尚處于起步階段。粉末材料的塑性加工能力相對致密材料而言較弱,其塑性變形、致密和細化機理尤為復雜。由于缺乏該類材料在變形過程中理論分析研究,從而限制了大塑性變形工藝在該領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展和應用。為此,本文將有限元數(shù)值模擬、實驗分析研究相結(jié)合,全面深入地研究了粉末材料在ECAE過程中的變形機理、致密行為及晶粒細化規(guī)律,從而為大塑性變形方法在該領(lǐng)域的應用提供必要的理論基礎和依據(jù)。 等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程中,試樣內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)同變形、溫度等宏觀場量參數(shù)大小及分布存在密切的聯(lián)系。因此,獲得在擠壓變形過程中試樣的流動信息和相關(guān)場量參數(shù)的分布狀況,對于選擇合理的工藝參數(shù)、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu),進而實現(xiàn)對變形過程的主動控制十分重要。本文針對粉末多孔燒結(jié)材料的特點,在基于可壓縮連續(xù)介質(zhì)理論的基礎上,推導出可壓縮性剛粘塑性熱力耦合有限元列式,建立了粉末多孔燒結(jié)材料和基體材料之間的物性參數(shù)關(guān)系,從而從理論上解決了采用熱力耦合方法模擬粉末材料塑性加工過程的關(guān)鍵問題。建立了用于分析粉末多孔燒結(jié)材料ECAE的熱力耦合有限元模型,對純鋁粉末燒結(jié)材料的ECAE過程進行數(shù)值模擬分析,獲得材料在ECAE過程中流動信息、變形行為、溫度分布和致密過程。數(shù)值模擬表明,等通道轉(zhuǎn)角擠壓對粉末材料具有優(yōu)良的致密效果,可有效地消除其內(nèi)部的孔隙。試樣所獲的密度分布特征同應變分布基本一致,說明ECAE提供的大剪切變形對孔隙閉合十分有利。 在上述研究基礎上,進一步對不同變形條件下的擠壓過程進行大面積數(shù)值模擬,總結(jié)了模具幾何形狀及變形工藝參數(shù)對金屬流動、變形、致密及所需壓力載荷的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,模具通道內(nèi)角是影響擠壓效果的關(guān)鍵要素,采用較小的內(nèi)角有利于提高試樣擠壓時流動的均勻性、獲得大剪切變形量以及高致密度,但過小的內(nèi)角將導致外角處形成流動死區(qū),對擠壓變形效果不利。模具外圓角大小的影響主要表現(xiàn)在對底部區(qū)域金屬的流動上,其效果隨內(nèi)角的減小而增強,特別當模具的內(nèi)角為銳角時,將對致密效果、變形均勻性產(chǎn)生明顯的影響。通過本文研究認為,在材料塑性可加工性能允許的條件下,模具幾何形狀的選擇應盡量選擇較小的內(nèi)角,配合適當?shù)耐鈭A角改善外角部的金屬流動,可獲得滿意的變形及致密效果。對不同接觸摩擦狀況下的數(shù)值模擬研究表明,一定大小的接觸摩擦對試樣整體獲得大變形量、變形均勻性及致密效果都是積極有利的。通過對粉末材料不同路徑進行多道次擠壓過程模擬,給出了多道次擠壓結(jié)果。結(jié)果表明,隨著擠壓道次增加和應變量的累積,試樣的致密度逐步提高;采用路徑A多道次可逐步減少試樣端部小變形區(qū)的面積,但隨著擠壓道次的增加試樣主要變形區(qū)分布將趨于復雜和不均勻;與路徑A相比,路徑C經(jīng)過偶數(shù)道次擠壓后可以獲得更加均勻?qū)ΨQ的變形分布。 為獲得試樣橫截面寬度(Y)方向的應變分布,本文建立了用于方形截面試件的三維有限元熱力耦合有限元模型。三維有限元模擬分析結(jié)果表明,在接觸摩擦的影響下,應變沿橫截面寬度(Y)方向分布不均勻,其中心部較小,而靠近模具表面較大,但同摩擦對高度(Z)方向應變的影響相比較小,因此在潤滑條件良好的情況下,采用二維模擬的方法仍具有較高的精度。通過對路徑B_A和B_C的多道次擠壓進行數(shù)值模擬,獲得路徑B_A、B_C對擠壓效果的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,采用路徑B_A、B_C兩道次擠壓后,試樣橫截面內(nèi)部的應變分布不均勻,剪切變形主要集中于兩道次的剪切面的交叉處。路徑B_A隨著擠壓道次的增加,試樣在沿其橫截面和縱向截面方向的變形都將趨于不均勻;而路徑B_C隨著擠壓道次的增加,試樣的各表面都將受到剪切變形作用,其橫截面的變形將逐步趨于均勻;特別是擠壓4個道次時,試樣剛好完成一個擠壓周期,可以獲得較為均勻的變形分布。 在有限元模擬分析的基礎上,設計了實驗模具、專用擠壓設備和加熱裝置,采用真空燒結(jié)的方法制備了實驗毛坯,并對不同條件下純鋁粉末燒結(jié)試樣的進行實驗,制備出具有理論壓實密度和超細結(jié)構(gòu)塊體材料。單道次擠壓的實驗結(jié)果表明,等通道轉(zhuǎn)角擠壓具有很強的致密效果,基體組織具有明顯的剪切變形特征,不同區(qū)域的基體組織變形及孔隙的分布狀況同有限元模擬結(jié)果相吻合,從而驗證了本文所建立的有限元模型的可靠性。對擠壓試樣的力學性能測試表明,一道次擠壓后,表面顯微硬度大幅上升,說明ECAE可顯著提高粉末材料的力學性能。 通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電鏡對擠壓材料在不同變形條件下的顯微組織進行觀察分析,對材料ECAE過程的孔隙和顯微組織的演化過程進行研究。研究認為,單道次ECAE過程中的孔隙閉合效果取決于剪切變形特點和試樣所處的應力狀態(tài),即大剪切塑性變形和高靜水壓力狀態(tài)是材料得以獲得良好的致密效果的關(guān)鍵所在。多道次擠壓由于變形量的累積和不同的剪切特征不斷地改變內(nèi)部的孔隙形狀和內(nèi)部基體材料的重排使得材料進一步致密。通過對擠壓試樣的TEM觀察,指出變形誘導機制是粉末材料細化的主要機制,而晶粒的細化效果取決于靜水壓力、變形量、剪切特征等關(guān)鍵因素。 最后,本文在數(shù)值模擬和實驗分析的基礎上,針對粉末多孔材料在傳統(tǒng)ECAE工藝中存在的問題進一步提出改進的粉末包套等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝(powder in tubes-equal channelangular extrusion,PITS-ECAE)和帶反壓的等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝(equal channel angularextrusion with back pressure,BP-ECAE)。實驗研究結(jié)果表明,采用PITS-ECAE工藝可有效降低擠壓過程變形材料產(chǎn)生破壞的可能性,從而為粉末材料獲得良好的變形累積效果提供重要的保證。而BP-ECAE工藝可以在有效地降低擠壓材料產(chǎn)生破壞的可能性的同時提高變形均勻性和致密效果,并且能在較低溫度條件下實現(xiàn)低塑性材料大塑性變形,從而能更加有效改善材料的組織和力學性能。

【關(guān)鍵詞】：
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TF125;TG376
【目錄】：

摘要8-11

ABSTRACT11-14

致謝14-25

第一章 緒論25-42

1.1 超細晶材料的性能及制備技術(shù)25-28

1.1.1 超細晶材料的性能及其應用25-26

1.1.2 超細晶材料制備技術(shù)與大塑性變形工藝26-28

1.2 等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)研究進展28-39

1.2.1 等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝發(fā)展概況及其原理28-30

1.2.2 模具幾何形狀和工藝參數(shù)對細化效果的研究進展30-35

1.2.3 ECAE新工藝研究進展35-37

1.2.4 有限元數(shù)值模擬技術(shù)在ECAE領(lǐng)域內(nèi)研究進展37

1.2.5 等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)在粉末冶金材料領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及存在的問題37-39

1.3 課題的來源、意義和研究內(nèi)容39-41

1.3.1 課題的來源和意義39-40

1.3.2 研究內(nèi)容40-41

1.4 本章小結(jié)41-42

第二章 可壓縮性剛粘塑性熱力耦合有限元方程的建立42-58

2.1 粉末燒結(jié)材料的屈服準則44-49

2.1.1 屈服條件的基本形式44-46

2.1.2 屈服條件分析與評價46-49

2.2 粉末體剛粘塑性變形力學的基本方程49-51

2.3 可壓縮剛粘塑性有限元方程建立基礎51-52

2.3.1 虛功原理51-52

2.3.2 可壓縮剛粘塑性材料的變分原理52

2.4 可壓縮剛粘塑性熱力耦合有限元列式的建立52-57

2.4.1 變形場有限元列式的建立52-53

2.4.2 粉末體塑性成形過程中的傳熱學基本方程53-56

2.4.3 粉末體塑性成形過程熱傳導有限元方程式的建立56-57

2.4.4 熱力耦合有限元列式的建立57

2.5 本章小結(jié)57-58

第三章 粉末多孔燒結(jié)材料 ECAE過程熱力耦合有限元建模及模擬關(guān)鍵技術(shù)處理58-74

3.1 幾何力學模型建立58-59

3.2 網(wǎng)格的生成及質(zhì)量控制59-63

3.2.1 單元質(zhì)量的評定及網(wǎng)格自適應技術(shù)59-61

3.2.2 網(wǎng)格重劃分61-63

3.3 多道次擠壓過程場量的傳遞63

3.4 粉末材料屈服準則的選取及相關(guān)物性參數(shù)的處理63-66

3.4.1 粉末材料屈服準則63-64

3.4.2 粉末多孔材料熱力物性參數(shù)確定64-66

3.5 摩擦邊界條件的處理66-68

3.6 相對密度的計算68-69

3.7 熱力耦合方程的求解及耦合技術(shù)路線的實施69-71

3.7.1 變形場非線性方程組的解法及收斂準則69-70

3.7.2 熱傳導有限元方程的求解70-71

3.7.3 熱力耦合技術(shù)路線處理71

3.8 模具應力計算71-72

3.9 粉末多孔材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓熱力耦合模擬系統(tǒng)建立與實現(xiàn)72-73

3.10 本章小結(jié)73-74

第四章 純鋁粉末多孔燒結(jié)材料 ECAE二維剛粘塑性熱力耦合有限元數(shù)值模擬研究74-85

4.1 二維平面熱力耦合有限元模型的建立74-76

4.2 結(jié)果分析及討論76-84

4.2.1 擠壓過程分析76-77

4.2.2 等效應力分布規(guī)律77-78

4.2.3 應變率分布特征78

4.2.4 等效塑性應變分布78-80

4.2.5 材料致密行為分析80-81

4.2.6 溫度場分布規(guī)律81-82

4.2.7 試樣的應力狀態(tài)分布規(guī)律82-84

4.3 本章小結(jié)84-85

第五章 粉末多孔燒結(jié)材料 ECAE過程模具結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)的影響85-109

5.1 模具幾何形狀的影響85-98

5.1.1 模具內(nèi)角的影響85-91

5.1.2 模具外圓角的影響91-96

5.1.3 模具內(nèi)角圓弧影響96-98

5.2 接觸摩擦對擠壓過程的影響98-101

5.3 材料初始相對密度的影響101-102

5.4 擠壓溫度影響102-103

5.5 擠壓速度的影響103

5.6 多道次擠壓工藝路徑的影響103-107

5.7 本章小結(jié)107-109

第六章 純鋁粉末多孔燒結(jié)材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程三維有限元數(shù)值模擬及分析109-121

6.1 三維有限元模型的建立109-110

6.2 結(jié)果及分析討論110-119

6.2.1 三維有限元模擬結(jié)果及分析110-112

6.2.2 摩擦對試樣橫向截面應變分布的影響112-113

6.2.3 工藝路徑B_A、B_C多道次擠壓效果分析113-118

6.2.4 擠壓件損傷預測118-119

6.3 本章小結(jié)119-121

第七章 純鋁粉末多孔燒結(jié)材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓實驗研究121-132

7.1 實驗條件121-126

7.1.1 實驗模具結(jié)構(gòu)設計121-124

7.1.2 實驗設備124

7.1.3 實驗毛坯制備124-125

7.1.4 試樣表面處理及潤滑條件確定125-126

7.2 實驗方案126

7.3 實驗結(jié)果分析及有限元模擬結(jié)果的驗證126-131

7.3.1 單道次擠壓光學金相組織分布特征及其與有限元結(jié)果對比127-129

7.3.2 擠壓件相對密度的測定及孔隙分布特征129

7.3.3 顯微硬度測定及其分布特征129-130

7.3.4 擠壓件損傷裂紋觀測及分布特征130-131

7.4 本章小結(jié)131-132

第八章 純鋁粉末多孔燒結(jié)材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程微觀組織演變及機理分析132-146

8.1 擠壓材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)電子顯微分析132-134

8.1.1 掃描電鏡觀察132-134

8.2 致密機理研究134-141

8.2.1 應力狀態(tài)對致密效果的影響134-136

8.2.2 等通道轉(zhuǎn)角擠壓過程的應力狀態(tài)136-139

8.2.3 擠壓路徑剪切變形模式對致密效果的影響139-141

8.2.4 溫度對致密效果的影響141

8.3 粉末多孔材料ECAE過程組織演化141-145

8.3.1 多道次擠壓試件表面硬度141-142

8.3.2 透射電鏡觀測142-143

8.3.3 晶粒細化機理及影響因素143-145

8.4 本章小結(jié)145-146

第九章 純鋁粉末多孔燒結(jié)材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓改進工藝及分析146-165

9.1 粉末包套—等通道轉(zhuǎn)角工藝(PITS-ECAE)146-152

9.1.1 粉末包套—等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝(powder in tubes-equal channel angular extrusion，PITS-ECAE)146-147

9.1.2 PITS-ECAE實驗及分析147-152

9.1.2.1 PITS-ECAE實驗147-148

9.1.2.2 組織觀察及演化148-150

9.1.2.3 力學性能測試及強化機制150-152

9.2 帶反壓等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝(equal channel anguler extrusion with back pressure，BP-ECAE)152-163

9.2.1 頂桿反壓等通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝152-159

9.2.1.1 有限元分析模型153

9.2.1.2 結(jié)果分析153-156

9.2.1.3 頂桿反壓工藝模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化156-158

9.2.1.4 實驗驗證158-159

9.2.2 摩擦自滑塊反壓工藝159-161

9.2.2.1 工藝原理及有限元分析模型159-160

9.2.2.2 工藝效果分析160-161

9.2.3 粘性介質(zhì)反壓工藝161-163

9.2.3.1 工藝原理161-162

9.2.3.2 工藝效果分析162

9.2.3.3 工藝效果對比162-163

9.3 本章小結(jié)163-165

第十章 全文總結(jié)和展望165-169

參考文獻169-179

攻讀博士學位期間參與項目與發(fā)表論文179-180

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  本文關(guān)鍵詞：粉末多孔材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓數(shù)值模擬及實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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