金属板材限制模压变形工艺的实验与数值模拟研究

摘要

改善材料的力学性能，并提高其比强度，是实现产品轻量化与节能降耗、满足现代生产迫切需求的重要途径。限制模压变形(constrained groove pressing，CGP)技术是一种极具发展和工程应用潜力的新型剧烈塑性变形方法，适用于制备性能优异的大体积超细晶(ultra-fine grained，UFG)金属板材，工艺优势明显。近年来，CGP技术已经成功应用于多种金属及合金UFG板材的制备，实现了材料的晶粒细化与力学性能的显著改善。然而，国内外关于CGP技术的研究才刚刚起步，对该工艺的晶粒细化机理、变形规律等尚缺乏系统深入的研究。因此，系统地研究模具结构、工艺参数、变形条件等对CGP过程的影响规律，揭示工艺的变形机理，对于优化工艺过程、改善工艺效果以及促进技术的工程应用，都具有重要的理论意义与实践意义。 本文将数值模拟与工艺实验相结合，系统地研究了不同面心立方纯金属的CGP过程，详细研究了变形道次、模具结构、摩擦条件、模压方式、变形速率等因素对材料的微观组织结构与力学性能、等效应变分布、成形载荷等的影响规律与作用机理，深入探索了材料的组织结构与宏观性能的内在联系，揭示了CGP工艺的晶粒细化机理。论文的主要研究工作和成果如下: (1)研究了基于ABAQUS的有限元建模技术，建立了多道次CGP的弹塑性有限元模型，模拟研究了材料在CGP过程中的流动规律与变形行为，以及CGP模具的成形载荷特点。详细分析了CGP试样的剪切变形区、非变形区与临界变形区的变形特点及其随变形道次的变化规律，揭示了不同区域之间的相互作用及其对CGP工艺效果的影响机理。研究了CGP试样内部与表面的等效应变分布特点，以及变形道次与摩擦系数对试样等效应变分布与成形载荷的影响规律。 (2)进行了纯铝、纯铜和纯镍板材在室温下的多道次CGP工艺实验，成功获得了亚微米级别的超细晶粒组织，材料的力学性能得到显著改善。借助室温单向拉伸试验、SEM断口形貌分析、维氏显微硬度测试、金相组织和TEM观察、XRD等分析测试手段，研究了变形道次对材料的晶粒细化与力学性能变化过程的影响规律与机理，探索了材料的微观组织与力学性能的内在联系，揭示了CGP工艺的晶粒细化机理以及层错能对晶粒细化效果的影响。 (3)实验研究了摩擦条件、模压方式、变形速率等工艺参数与变形条件对纯铝CGP工艺效果的影响规律，为CGP技术的工程应用奠定了理论基础。根据试样不同位置的应力-应变状态，提出了一种新的区域划分方法，分析了CGP纯铝板材的表面残余应力状态与产生机理以及润滑对残余应力的影响，并研究了人工时效与自然时效对试样表面残余拉应力的消除效果。 (4)制定了不同的热处理制度，对不同道次CGP制备的UFG纯铝板材进行退火处理研究。借助TEM与SEM/EBSD技术分析了材料的组织结构演化特点，研究了变形道次与退火温度对CGP制备的UFG纯铝的微观组织与力学性能的影响规律。获得了最佳的变形及后处理退火工艺，制各出具有优异综合性能的纯铝板材。研究了材料在低温退火过程中出现的退火强化现象，并对UFG纯铝的晶粒长大过程进行了动力学分析。 (5)利用金相组织观察、拉伸试样断口形貌分析、电阻率测量等分析测试方法，详细研究了CGP纯铜变形均匀性的变化规律与内在机理。采用有限元分析与实验研究相结合的方法，揭示了CGP与非限制模压变形(unconstrained groovepressing，UGP)在等效应变累积效率、变形均匀性、晶粒细化与力学性能改善效果等方面的差异。耦合模具的限制作用，建立了基于位错理论的材料本构模型(M-ETMB模型)，深入揭示了模具的限制作用对CGP/UGP工艺效果的影响机理。 (6)结合数值模拟与工艺实验，研究了模具齿宽、倾角等模具结构参数对CGP纯镍的等效应变分布特点、成形载荷、晶粒细化与力学性能改善以及织构演化等的影响规律与内在机理，详细分析了模具结构对试样变形特点的影响机理。基于理论分析，获得了模具结构参数与稳定成形载荷之间的相互关系，以及保证试样经历稳定剪切变形的模具结构条件。研究了CGP试样表面微裂纹的萌生与扩展机理，分析了试样断裂表面的形貌特点，并提出了延缓裂纹产生的有效措施。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超细晶(UFG)材料的主要制备方法

1．3 常见的剧烈塑性变形方法

1．3．1 等通道转角挤压法

1．3．2 高压扭转变形法

1．3．3 累积叠轧焊接法

1．3．4 多向锻造法

1．3．5 反复折弯-压直法

1．4 限制模压变形(CGP)T艺

1．4．1 CGP工艺的基本原理

1．4．2 CGP工艺的变形几何分析

1．4．3 CGP工艺的分类及改进

1．5 CGP工艺的研究现状及存在的问题

1．5．1 变形材料

1．5．2 变形道次

1．5．3 变形温度

1．5．4 模具结构

1．5．5 模压方式

1．5．6 目前研究中存在的主要问题

1．6 本文的选题意义与主要研究内容

1．6．1 选题意义

1．6．2 主要研究内容

第二章 实验材料、设备及分析测试方法

2．1 实验材料的选取与准备

2．2 实验设备与模具

2．3 微观组织观察

2．3．1 金相试样的制备与观察

2．3．2 TEM试样的制备与观察

2．4 XRD分析

2．4．1 晶粒尺寸估测

2．4．2 残余应力测量

2．4．3 宏观织构分析

2．5 SEM分析

2．5．1 断口形貌分析

2．5．2 SEM／EBSD分析

2．6 力学性能测试

2．6．1 室温单向拉伸试验

2．6．2 维氏显微硬度测量

2．7 电阻率分析

2．8 本章小结

第三章 工业纯铝CGP过程的数值模拟研究

3．1 引言

3．2 弹塑性有限元法概述

3．2．1 小变形弹塑性有限元法

3．2．2 大变形弹塑性有限元法

3．3 CGP弹塑性有限元模型的建立

3．3．1 求解器的选择

3．3．2 显式时间积分

3．3．3 初始模型的建立

3．3．4 材料属性的确定

3．3．5 质量缩放系数的选取

3．4 纯铝的多道次CGP数值模拟研究

3．4．1 CGP试样的区域划分

3．4．2 单道次试样的变形特点

3．4．3 多道次试样的变形特点

3．4．4 CGP模具的成形载荷

3．5 摩擦系数对CGP工艺的影响

3．6 本章小结

第四章 工业纯铝的多道次CGP实验研究

4．1 引言

4．2 实验试样形貌与成形载荷

4．3 CGP纯铝的微观组织演化

4．3．1 平面(XY面)金相组织

4．3．2 横截面(XZ面)金相组织

4．3．3 TEM观察

4．4 CGP纯铝的力学性能变化

4．4．1 拉伸性能

4．4．2 拉伸试样断口形貌

4．4．3 显微硬度

4．5 工艺条件对CGP工艺效果的影响

4．5．1 摩擦条件对CGP工艺效果的影响

4．5．2 润滑对CGP板材表面残余应力的影响

4．5．3 模压方式对CGP工艺效果的影响

4．5．4 变形速率对CGP工艺效果的影响

4．6 本章小结

第五章 CGP制备UFG纯铝板材的热稳定性研究

5．1 引言

5．2 等时退火研究方案

5．3 等时退火UFG纯铝的力学性能

5．3．1 工程应力-应变曲线

5．3．2 拉伸性能

5．3．3 显微硬度

5．3．4 退火强化现象研究

5．4 等时退火UFG纯铝的微观组织

5．4．1 TEM观察

5．4．2 EBSD分析

5．5 时效处理对CGP纯铝板材表面残余应力的影响

5．5．1 人工时效对CGP板材表面残余应力的影响

5．5．2 自然时效对CGP板材表面残余应力的影响

5．6 本章小结

第六章 工业纯铜的CGP／UGP变形均匀性及基于位错理论的材料本构模型研究

6．1 引言

6．2 CGP／UGP纯铜的变形均匀性研究

6．2．1 CGP纯铜的变形均匀性实验研究

6．2．2 CGP／UGP工艺效果的数值模拟研究

6．3 CGP／UGP工艺效果的实验研究

6．3．1 CGP纯铜的平面(XY面)金相组织

6．3．2 CGP／UGP纯铜的TEM观察

6．3．3 CGP／UGP纯铜的拉伸性能

6．4 基于位错理论的纯铜本构模型研究

6．4．1 ETMB模型概述

6．4．2 耦合模具限制作用的M-ETMB模型

6．4．3 M-ETMB模型的CGP应用

6．4．4 M-ETMB模型的实验验证与理论分析

6．5 本章小结

第七章 模具结构对工业纯镍CGP过程的影响研究

7．1 引言

7．2 数值模拟与实验研究方案

7．3 模具结构对CGP工艺影响的数值模拟研究

7．3．1 模具齿宽对试样等效应变分布与成形载荷的影响

7．3．2 模具倾角对试样等效应变分布与成形载荷的影响

7．3．3 模具结构对CGP工艺的影响机理分析

7．4 模具结构对CGP工艺影响的实验研究

7．4．1 模具结构对CGP纯镍力学性能的影响

7．4．2 模具结构对CGP纯镍微观组织的影响

7．4．3 模具结构对CGP纯镍变形织构的影响

7．4．4 CGP纯镍板材微裂纹及断面形貌分析

7．5 面心立方(FCC)纯金属CGP工艺的晶粒细化机理分析

7．5．1 CGP工艺的晶粒细化机理

7．5．2 层错能对FCC纯金属组织演化过程的影响

7．6 本章小结

第八章 结论及展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间获得的奖励