【摘要】：塑性微成形技術(shù)具備生產(chǎn)效率高、材料利用率高以及產(chǎn)品機(jī)械性能優(yōu)異等優(yōu)勢,然而,隨著微型化,尺度效應(yīng)越來越影響材料本構(gòu)關(guān)系。為了減少尺度效應(yīng),一般采取基于模具傳導(dǎo)加熱提高微成形溫度的方法,但同時(shí)導(dǎo)致加熱效率低、模具壽命低等缺點(diǎn)。電流輔助(Electrically-assisted,EA)成形工藝是指在塑性加工的同時(shí)對坯料施加中/高密度的連續(xù)或脈沖電流,該技術(shù)具有加熱效率高、模具壽命高等優(yōu)點(diǎn),且可產(chǎn)生電致塑性效應(yīng)如降低成形力、提高塑性等。然而,電流輔助塑性成形是一種多場耦合工藝,目前學(xué)術(shù)界對其影響機(jī)制還未有定論,相關(guān)實(shí)驗(yàn)及模型研究還處于初步階段,而且微/介觀尺度的電流輔助塑性成形研究暫時(shí)鮮有報(bào)道,電致塑性效應(yīng)是否減少尺度效應(yīng)尚有待深入研究。AZ31鎂合金較差的成形性能制約了其工業(yè)應(yīng)用,尤其是在塑性微成形領(lǐng)域。本文以AZ31鎂合金為對象,開展電流輔助微拉伸及電流輔助微壓縮實(shí)驗(yàn)研究,探索熱、機(jī)、電場耦合下材料與工藝參數(shù)對微拉伸與微壓縮AZ31試樣焦耳熱行為及流動(dòng)行為的影響規(guī)律,研究介觀尺度電流輔助拉伸流動(dòng)應(yīng)力尺度效應(yīng),建立電流輔助微成形焦耳熱模型及多場耦合下基于多效應(yīng)機(jī)制的流動(dòng)應(yīng)力模型,揭示AZ31鎂合金電流輔助微成形機(jī)理。本文研究了電流密度、晶粒尺寸及試樣尺寸等對AZ31鎂合金電流輔助微成形焦耳熱行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明:焦耳熱溫度在空間上分布不均勻,試樣中心處最高,拉伸變形時(shí)在長度方向上服從拋物線分布。微拉伸時(shí)電流密度、試樣尺寸及晶粒尺寸對最大焦耳熱溫度的影響規(guī)律與微壓縮時(shí)一致,即隨電流密度及試樣尺寸的增大均增大,隨晶粒尺寸的變化不明顯,但最大焦耳熱溫度隨拉伸變形增加而隨壓縮變形減小。基于焦耳熱、熱傳導(dǎo)及熱對流間的熱力學(xué)守恒定律建立了電流輔助微成形焦耳熱溫度解析模型,有效地預(yù)測了不同電流密度下AZ31鎂合金靜態(tài)焦耳熱實(shí)驗(yàn)與電流輔助微拉伸實(shí)驗(yàn)的最大焦耳熱溫度�？紤]分散性失穩(wěn)的焦耳熱溫度模型很好地預(yù)測了130 A/mm2時(shí)最大焦耳熱溫度時(shí)間曲線的下凸特征�；趹�(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化、焦耳熱軟化、動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效(Dynamic strain aging,DSA)及電子風(fēng)等五種效應(yīng)建立了電流輔助拉伸流動(dòng)應(yīng)力模型。結(jié)果表明:排除DSA分量并考慮分散性失穩(wěn)所預(yù)測的流動(dòng)應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)值吻合度最好,在應(yīng)變硬化階段模型預(yù)測誤差小于9%;130 A/mm2時(shí)該模型基于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(Dynamic recrystallization,DRX)有效地預(yù)測了應(yīng)變軟化趨勢。焦耳熱軟化效應(yīng)對AZ31鎂合金電流輔助微拉伸流動(dòng)應(yīng)力降貢獻(xiàn)最大,而非熱電致塑性效應(yīng)的貢獻(xiàn)非常小,幾乎可以忽略。研究了AZ31鎂合金電流輔助微拉伸流動(dòng)應(yīng)力的尺度效應(yīng),對比分析了電流輔助與電熱解耦微拉伸實(shí)驗(yàn)的Hall-Petch關(guān)系。結(jié)果表明:Hall-Petch斜率按照室溫(Room temperature,RT)實(shí)驗(yàn)、等溫實(shí)驗(yàn)以及電流輔助實(shí)驗(yàn)的順序依次減小,氣體冷卻電流輔助實(shí)驗(yàn)的Hall-Petch行為類似于電流輔助實(shí)驗(yàn)。基于多晶材料晶界處存在局部焦耳熱效應(yīng)的假設(shè),建立了電流輔助拉伸Hall-Petch斜率模型,并通過室溫、等溫及電流輔助微拉伸實(shí)驗(yàn)所得Hall-Petch斜率驗(yàn)證了該模型的有效性。研究了不同電流密度輔助微拉伸實(shí)驗(yàn)下AZ31鎂合金流動(dòng)軟化行為的尺度效應(yīng)。結(jié)果表明:流動(dòng)應(yīng)力軟化系數(shù)與電流密度之間的關(guān)系服從反S形指數(shù)函數(shù),反S形曲線隨著晶粒尺寸及試樣尺寸的增大分別向高及低電流密度區(qū)間偏移;基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析與焦耳熱定律獲得了反S形函數(shù)偏移系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,進(jìn)而有效地預(yù)測了五種金屬材料電流輔助拉伸的軟化行為;基于反S形指數(shù)函數(shù),合理地定義并推導(dǎo)了電流輔助拉伸臨界電流密度計(jì)算公式,計(jì)算結(jié)果表明:臨界電流密度隨著晶粒尺寸及試樣尺寸的增加分別非線性地增加和減小。研究了電流密度、晶粒尺寸及試樣尺寸對AZ31鎂合金電流輔助微壓縮流動(dòng)行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明:增大電流密度、減小晶粒尺寸及增大試樣尺寸均會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力減小、可壓縮變形量增大以及應(yīng)變硬化率減小。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG661;TG306

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本文編號(hào)：2435222