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大塑性变形复合挤压有限元模拟研究

作　者: 杨智强
导　师: 史庆南
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: 大塑性变形等径角挤压复合挤压有限元模拟 6061铝合金
分类号: TG376
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

超细晶材料具有优异的力学性能,在保持韧性的同时,具有较高的强度,是近年来材料科学领域研究热点之一。反复镦挤(Cyclic Channel Die Compression, CCDC)和等径角挤压(Equal-Channel Angular Pressing, ECAP)都能够在不改变材料横截面积的情况下使变形试样积累较高等效应变,从而使块体材料的微观组织得到有效细化。根据该特点,将反复镦挤和等径角挤压工艺结合,提出CCDC—ECAP复合挤压大塑性变形工艺来制备超细晶材料的新思路。基于有限元数值模拟技术,分别对等径角挤压及复合挤压过程中应力场、应变场、金属流动速度场、挤压力等问题进行了分析,研究发现,经过复合挤压二道次以后,试样的最大等效应变能够达到10.1,而单一的ECAP二道次挤压效应变为7.82。且通过CCDC—ECAP变形后,等效应变分布比单一的ECAP变形要均匀。利用三维有限元模拟软件DEFORM-3D平台,建立等径角挤压、复合挤压三维有限元模型,分别对等径角挤压和复合挤压进行了2个道次的模拟分析,进一步探索6061铝合金在复合挤压法制备块体超细晶过程中的变形行为,弄清楚了6061铝合金在复合挤压时的等效应力、等效应变、金属流动特点、大小和分布以及它们对制备超细晶铝合金的影响。由等效应力和应变分布情况分析了在变形过程中出现裂痕甚至断裂的原因,分析发现,在CCDC-ECAP变形中,在工件前端应力较为集中,变形区存在较大的拉应力,由此推测出多道次复合挤压变形后工件前端会出现裂纹甚至断裂,可以再加工道次之间采取去应力退火及减小试样与模具之间的摩擦来解决试样在变形中断裂的问题。对350℃×2.5h均匀化退火的6061铝合金分别进行了2道次等径角挤压及复合挤压实验,测量了复合挤压两个道次的挤压力,发现计算的挤压力同测量的挤压力非常相近,说明计算过程选取的参数较为准确,为模拟过程中的摩擦系数、挤压速度等参数的选取提供了实验支持。通过分析两种变形工艺路线可知,CCDC-ECAP工艺在晶粒细化效果方面好于ECAP,二道次变形后,有部分晶粒尺寸接近3μm。同时在提高屈服强度等方面也较ECAP有效,CCDC—ECAP挤压一道次后屈服强度发生了明显的增长,由86MPa增长到124MPa,增长了约1.5倍。随着挤压道次的增多,硬度和强度呈上升趋势,经过四个道次挤压后,屈服强度增至245MPa。对6061铝合金进行一道次大塑性复合挤压变形微观组织演变有限元模拟,发现经过一个道次的大塑性CCDC—ECAP复合挤压变形后,试样积累了大的塑性应变,原始粗晶沿变形带破碎,晶粒尺寸得到细化,但是效果不明显,可以通过多道次的大塑性复合挤压来制取块体超细晶铝合金。与ECAP变形工艺相比,CCDC-ECAP工艺路线在细化晶粒与提高力学性能方面为较为优异。CCDC-ECAP工艺路线将是可作为后续深入研究中优先考虑的复合挤压加工工艺路线。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-27
  1.1 引言  10-11
  1.2 几种大塑性变形研究进展  11-23
    1.2.1 异步叠轧技术  11-13
    1.2.2 高压扭转  13
    1.2.3 多向压缩  13-14
    1.2.4 反复镦挤法  14-16
    1.2.5 等径角挤压  16-23
  1.3 有限元模拟在金属塑性成形中的应用  23-25
    1.3.1 有限元分析方法  23-24
    1.3.2 有限元方法基本思路和求解步骤  24-25
  1.4 论文研究的目的、意义和内容  25-27
    1.4.1 论文研究的目的、意义  25-26
    1.4.2 论文研究内容  26-27
第二章复合挤压过程的有限元建模分析  27-46
  2.1 有限元法的基本思想  27-28
  2.2 刚塑性有限元法  28-29
  2.3 刚粘塑性有限元法的基本原理  29-33
    2.3.1 刚粘塑性材料流动基本方程  29-31
    2.3.2 虚功原理  31-32
    2.3.3 变分原理  32-33
  2.4 刚塑性有限元求解公式  33-36
    2.4.1 刚塑性有限元法分析步骤  33-34
    2.4.2 刚塑性有限元法求解基本公式  34-36
  2.5 增量法  36
  2.6 复合挤压模型建立及模拟  36-40
    2.6.1 DEFORM-3D三维有限元模拟软件  36-37
    2.6.2 DEFORM-3D特点  37-38
    2.6.3 DEFRORM-3D结构  38-40
    2.6.4 复合挤压模型的建立和导入  40
  2.7 模拟中几个关键的问题和参数设置  40-45
    2.7.1 材料真实应力-应变曲线及材料模型  41
    2.7.2 材料及模具设置  41-42
    2.7.3 网格划分  42-43
    2.7.4 接触条件和摩擦的定义  43
    2.7.5 迭代方法和收敛准则  43-44
    2.7.6 模拟控制设置  44-45
  2.8 本章小结  45-46
第三章复合挤压实验  46-55
  3.1 复合挤压实验方案  46-48
  3.2 实验用仪器设备  48
  3.3 实验相关材料选取  48-51
    3.3.1 试样材料  48-49
    3.3.2 关于模具设计及模具材料的确定  49-51
  3.4 复合挤压力的测量  51-54
    3.4.1 挤压力的测量方法  51
    3.4.2 电阻应变式传感器设计  51-53
    3.4.3 挤压力测量结果  53-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章复合挤压有限元模拟及分析  55-83
  4.1 变形过程  55-56
  4.2 应变  56-62
  4.3 等效应力  62-67
  4.4 挤压力  67-68
  4.5 变形区内试样金属流动  68-71
    4.5.1 ECAP变形区内试样金属流动  68-69
    4.5.2 CCDC-ECAP变形区内试样金属流动  69-71
  4.6 CCDC—ECAP变形过程中组织演变模拟  71-78
    4.6.1 CCDC-ECAP复合挤压晶粒细化机制  72
    4.6.2 CCDC-ECAP复合挤压过程中试样加工硬化位错模型  72-75
    4.6.3 复合挤压后晶粒分布有限元模拟及分析  75-77
    4.6.4 应变速率对晶粒体积分数的影响  77-78
  4.7 结果分析与讨论  78-81
    4.7.1 应力对晶粒细化的影响  78-80
    4.7.2 试样形成裂纹原因分析  80-81
    4.7.3 变形后试样形貌分析  81
  4.8 本章小结  81-83
第五章 CCDC-ECAP二道次挤压有限元模拟及分析  83-99
  5.1 ECAP二道次挤压有限元模拟  83-86
  5.2 CCDC-ECAP二道次挤压有限元模拟  86-91
    5.2.1 CCDC-ECAP等效应力和应变分析  86-90
    5.2.2 CCDC-ECAP二道次变形的载荷行程曲线  90-91
  5.3 ECAP、CCDC-ECAP二道次挤压实验及分析  91-93
    5.3.1 ECAP二道次挤压变形实验金相分析  91-92
    5.3.2 CCDC-ECAP二道次挤压变形实验透射电镜分析  92-93
  5.4 CCDC-ECAP复合挤压、ECAP挤压力学性能测试  93-96
    5.4.1 CCDC—ECAP、ECAP试样拉伸测试  94-95
    5.4.2 CCDC—ECAP试样压缩测试  95-96
  5.5 CCDC—ECAP复合挤压多道次挤压均匀性分析  96-97
  5.6 小结  97-99
第六章结论与展望  99-101
  6.1 结论  99-100
  6.2 展望  100-101
致谢  101-102
参考文献  102-109
附录:攻读硕士学位期间发表论文目录  109

大塑性变形复合挤压有限元模拟研究

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