快速落刀试验及有限元仿真分析Ti-6Al-4V合金锯齿状切屑特性

形成锯齿状切屑是钛合金加工的主要特征之一,也是进行钛合金切削机理研究的关键。首先设计并进行快速落刀试验,分析不同切削速度下锯齿状切屑的形成特点与变化规律;为获得锯齿状切屑内部的物理力学性能参数,对Ti-6Al-4V钛合金切削加工进行有限元仿真分析,揭示锯齿状切屑的形成对切削力的影响及切屑形成时剪切区与材料堆积区的温度变化规律,为揭示钛合金加工的内在本质及实现钛合金高速高效加工提供支持。     

钛二维机加工的切削力预测

<正>对材料进行切削加工时,除要考虑被切削材料和刀具这两个重要因素,也要考虑夹具、切削参数和冷却液等其他因素。在切削加工过程中,被切削材料上不需要的部分在刀具边缘变成切屑,切屑形成区的压应力和摩擦力会对切削力产生影响。金属切削是一种塑性变形过程。为观察和预测钛及钛合金切削过程中的切削力,开发了DEFORM2D软件来模拟切削过程。该软件使用有限元方法模     

钛合金的车削刀具

钛及钛合金高温强度大、热导率低、化学活性高，车削加工时容易粘刀，是一种难车削加工的材料。从20世纪50年代起，美国和法国就开始对刀具的耐磨性、主切削位置的塑变特性、片状或环状切屑的形成、工件出现的振颤现象、刀具的快速磨损情况等进行了研究，发现高速切削时，可产生发热（刀尖处尤其明显），刀边部形成磨顶槽或发生塑性变形，刀具磨损快；切削钛合金等硬质材料时，使用多晶金刚石和烧结立方NB刀具的切速可比使用普通WC刀具稍快。同时还研究了许多钛合金的切削性能，如纯钛，Ti-6Al-4V（Ti-64），VT14，VT15，Ti-6Al-2Sn-4…     

TA15钛合金在相变点附近的热变形机制及组织演化

采用Gleeble—3500型热模拟试验机对TA15钛合金进行等温压缩试验,应变速率为1~0.01s-1、变形温度为900~1 050℃。结果表明:TA15钛合金在相变点附近的热压缩流变行为可采用含有Z参数的双曲正弦函数形式的本构方程来描述;在试验参数范围内,当变形温度和应变速率逐渐提高时,TA15钛合金内部显微组织和热变形机制发生改变,导致变形激活能先升高后降低;结合热加工图和热变形后的显微组织分析可知,在两相区上部(变形温度950℃左右)以较低的应变速率(0.1~0.01s-1)进行热变形时,由于完全动态再结晶的发生,材料具有较高的耗散效率,获得了晶粒细小且分布均匀的显微组织。     

Ti8LC钛合金材料切削过程的有限元仿真及性能试验

钛合金材料的各种特点决定了其难切削的加工性能,针对一种低成本钛合金Ti8LC材料进行了切削加工性能的试验研究.运用有限元法,再现了钛合金切削加工过程,得出了切削参数对主切削力及进给抗力的影响规律,结果表明,随着切削深度的增加,主切削力和进给抗力均有大幅增长,而进给量对切削力的影响不大.而通过进一步的切削加工试验,分析了不同切削速度、进给速度、进给量等工艺参数对钛合金切削加工时的主切削力、进给抗力等的影响,结果表明,由于实际切削中的刀具磨损问题,切削力较仿真切削力大许多.因此,采用目前的涂层硬质合金刀具,该钛合金材料的切削速度应在( 120～160) m·min-1,否则将引起剧烈的刀具磨损而使切削力陡然增加.     

切削用量对铍材加工表面变质层的影响及铍材切削变形方式

通过单因素实验研究不同切削用量对铍材切削表面损伤层、加工硬化层的影响，并结合切屑、表面组织结构变化分析铍材切削过程的变形方式。结果表明：在一定范围内，铍材切削表面损伤层、硬化层厚度受切削速度影响较小，呈现随切削进给量、深度的增加而增大的趋势。铍材切削过程未发生剧烈的塑性变形，大量剪切滑移产生的加工硬化在局部达到材料破裂强度，进而使其发生脆性断裂，产生挤裂型切屑；铍材切削表面的孪晶数量很少，受后刀面挤压产生的位错运动是其主要的塑性变形方式。     

含硫、稀土、铋等合金元素的易切削奥氏体不锈钢研究

 奥氏体不锈钢是难加工的材料。通过在传统的奥氏体不锈钢中添加硫、稀土和铋,经过钢锭熔炼、切削试验、组织性能检测,对其切削性能和力学性能进行了研究。结果表明,奥氏体不锈钢中的夹杂物主要由MnS组成。稀土包裹在MnS中,金属夹杂物铋以尾状物附于MnS的两端。稀土具有明显的变质作用,易切削奥氏体不锈钢中的夹杂物大部分呈球状或纺锤状。硫、稀土和铋合金元素的添加降低了切削力、减轻了刀具的磨损、改善了切屑的形状。所开发的合金获得了极好的切削性能。由于硫和铋都是软的相,在变形过程中它们并不诱发裂纹的形成。呈球状的夹杂物不仅有利于切削性能的改善,而且还有利于钢获得良好的力学性能。     

变形温度对TC11合金低应变速率下的变形行为及组织的影响

采用THERMECMASTOR-Z热模拟试验机研究了TC11钛合金在变形温度780～1080℃,应变速率0.001～1 s-1范围的热变形行为,并采用金相显微镜研究了变形温度对TC11钛合金组织的影响,主要研究结果如下:变形温度对TC11钛合金的流动应力有显著影响,在较高温度或较低应变速率时,变形呈稳态流动特征;在较低温度或较高应变速率时,变形呈流变软化特征.在β单相区,当应变速率为1 s-1时,组织主要为拉长的β晶粒和少量的动态再结晶晶粒;当应变速率为O.01～0.1 s-1时,变形机制主要为动态再结晶;当应变速率在0.001 s-1附近时,变形机制为动态回复.在(α+β)两相区,变形温度870～960℃,应变速率0.001 s-1附近时,变形机制为超塑性.     

变形晶界对低碳钢显微组织的影响

对不同温度下变形和变形后再加热到奥氏体区的低碳钢SS400的显微组织进行了研究，结果表明：变形使奥氏体和铁素体晶界呈锯齿状，锯齿状的奥氏体晶界优先成为铁素体的形核位置，锯齿状的铁素体晶界有利于铁素体再结晶核心的形成。     

TC25G钛合金热变形过程中的组织演变

利用Gleeble 3800型热模拟试验机对TC25G钛合金进行了恒应变速率热压缩变形实验,获得了变形温度为930~1 020℃、应变速率为0.001~50 s~(-1)、变形程度为60%条件下的组织演变特征。结果表明:应变速率对α相的含量和形状基本没有影响,而对β转变组织的影响较大,高应变速率下呈带状,低应变速率下呈等轴状;变形温度对于控制α相含量有显著影响,α相含量随变形温度升高而降低,960℃时,仅为8%,且较高的变形温度下,β晶粒尺寸也相对粗大。     

ZTA15Cr铸造钛合金材料的组织及性能

研究了ZTA15Cr铸造钛合金材料在铸造状态和热等静压状态下的力学性能和微观组织。结果表明,ZTA15Cr铸造钛合金在铸造状态下组织以马氏体＋晶界α＋针状α为主,强度高而塑性较差,力学性能数据分布离散性强,不能满足使用要求;经热等静压处理后,组织中的板条状α＋β交叉呈网篮状,塑性有较大提高,可满足航空航天对钛合金铸件的使用要求。     

钛合金热冲压半球组织的预测

众所周知，钛合金组织对其制品的物理机械性能及使用性能具有至关重要的影响．在制订具有规定性能的大型车成品的热冲压工艺时，如何预测组织是一个非常迫切的问题．预测组织的方法包括组织形成过程中主要多数（变形温度、变形率、变形速度等）的计算以及这些条件在试样上的模拟，例如，通过高温塑性实验机试验模拟．实施这种方法的会出现一系列问题，如何模拟加热和冷却规范、加载历程、应力状态、高速加教时的材料发热等．因此，为了获得可靠的组织预测结果，就必须完善试验方法并积累实际数据．俄罗斯研究人员引用了多晶转变温度为1050℃…     

形状比对TC4-DT钛合金厚板轧制变形渗透性影响规律

基于热模拟压缩试验得到的流变应力曲线,建立了TC4-DT钛合金厚板单道次热轧模拟仿真平台,对不同压下率和形状比条件下的热轧过程进行仿真分析,以等效塑性应变为0.2作为透性衡量指标,研究了板坯厚度方向变形渗透规律。经拟合,得到TC4-DT钛合金轧制时形状比(SR)与变形渗透深度的经验公式为:y=29.1exp(3.2SR)-60.66。提高形状比可显著改善TC4-DT钛合金厚板心部的变形程度,提高板材的一次合格率。     

钛合金旋压性能的试验研究

钛合金具有比强度高的特点，可替代铝合金和合金钢。钛合金的变形抗力和屈强比较大，其壳体室温变薄旋压成形有一定困难。为了探讨钛合金旋压的可行性，在热模拟压缩试验的基础上，分析钛合金加热变形过程，为钛合金加热变薄旋压工提供了参考。试验结果显示钛合金合理的旋压温度为650～750℃，因其不是应变速率敏感材料，可根据各道工序的需要改变转速和进给速度。     

连续变形与冷却工艺对低碳钢微观组织的影响

分别利用Gleeble3500热模拟试验机和JMatPro材料计算软件获得低碳钢的临界相变温度;同时在热模拟试验机上,采用连续冷却压缩与控冷相结合的方法进行了不同终轧温度和轧后冷却速度的工艺模拟。试验结果表明:终轧温度及轧后冷却速度对实验钢最终组织形态影响明显,终轧温度在Ar3以上温度时,低碳钢获得均匀的等轴状组织,加快轧后冷却速度可细化晶粒组织;当终轧温度在Ar3温度附近时,低碳钢会发生形变诱导铁素体相变,轧后缓冷有利于组织均匀,快冷容易导致混晶;当终轧温度在Ar3温度以下时,轧后缓冷、快冷均获得混晶甚至明显的变形带组织。     

含锡易切削中碳钢的切削加工性能

含锡易切削钢是一种环境友好的钢铁材料。对利用真空感应炉冶炼锡的质量分数为0.16%的试验用含锡易切削中碳钢,经过热锻成型直径100 mm的圆钢。之后,在C6140无极调速机床上对其进行切削加工性能试验研究,同时利用二次离子质谱仪对Sn、S、Mn合金元素在试验用含锡易切削钢中的分布进行表面线、面扫描的质谱分析。研究结果表明,试验钢的相对切削系数为1.75;切屑的形状主要呈C型,并伴有少量螺旋屑,说明该钢具有良好的切削加工性,能够满足高速切削加工的要求。锡在晶界和Mn S界面上偏聚的这种分布特点以及锡的低熔点特性而引起的晶界脆化,熔融金属脆性,以及切削刀具与切屑、工件界面之间的润滑剂——熔融锡的润滑作用,可以认为是该钢易切削的主要机理。     

β21S 钛合金热压缩变形行为

在热模拟试验机上对 β2 1S(Ti 15Mo 2 .7Nb 3Al 0 2Si)钛合金进行了恒应变速率压缩变形试验 ,温度范围为 75 0～ 95 0℃ ,应变速率范围为 ε=10 -3 ～ 10s-1,测试了其真应力 真应变曲线 ,观察了变形后的组织。β区热压缩、变形的主要软化机制是动态回复 ,但 ε≤ 10 -2 s-1时 ,变形的过程中有动态再结晶现象发生 ;两相区热压缩 , ε≤10 -2 s-1时 ,变形的主要软化机制是动态回复 , ε≥ 10 -1s-1时变形的主要软化机制是动态再结晶。部分试样变形后的组织中 ,观察到类似“木纹”状的组织 ,这主要是由于不均匀变形造成的     

TA15钛合金热变形过程中基于介观尺度的相变模拟研究

金属在高温热形变过程中,相变常常发生在形变过程中,塑性形变和相变同步进行。在此过程中,一方面相变的发生消耗了形变储存能,另一方面形变的发生又会造成新能量的积累和晶体缺陷的产生,能量状态、缺陷分布等和先形变后相变过程的不同,整个过程完全是动态的。围绕新型近α型钛合金—TA15钛合金的热压缩模拟试验,从介观角度出发,综合运用现代塑性加工学、金属学、金相学、有限元方法、晶体塑性理论、元胞自动机理论、计算机编程语言等多种理论和方法,对TA15钛合金在热压缩变形过程中发生的相变行为进行了系统研究,模拟了合金的相变过程,动态再现了相变发生时的微观组织的演变情况,建立了不同变形条件下的相变动力学方程。这对于合理制定变形过程中的热加工工艺方案,对钛合金的发展和实际应用的促进都具有极为重要的理论价值和实际意义。     

TiC-TiB_2陶瓷与Ti-6Al-4V钛合金的熔化连接研究

利用超重力场,在燃烧合成TiC-TiB_2细晶凝固陶瓷的同时,实现了陶瓷与钛合金的熔化连接。陶瓷-钛合金连接接头的显微组织表明,伴随着TiC-TiB_2凝固陶瓷的合成,在超高重力场燃烧合成引发的高温热真空环境下,钛合金表面发生熔化并引发液态陶瓷与液态钛合金之间强烈的原子互扩散,进而在陶瓷-钛合金连接区形成了富Ti碳化物与细小的TiB_2呈相间分布且镶嵌于钛合金上的凝固组织。同时,陶瓷-钛合金连接接头的硬度从陶瓷至钛合金一侧呈线性逐渐降低。     

TA19钛合金高温变形热加工图构建和微观组织演变

利用Gleeble-3500热模拟压缩试验机,在变形温度820～980℃和应变速率0.01～10 s~(-1)的变形条件下,对TA19钛合金进行热模拟压缩试验,并根据动态材料模型(DMM)建立了其热加工图。同时,结合TA19钛合金微观组织分析,揭示了热变形工艺参数影响热加工图的内在原因。结果表明:变形工艺参数与能量耗散率和非稳态区密切相关。应变速率为0.01～1 s~(-1)时,能量耗散率较大,且随着变形温度的升高,能量耗散率先增大后减小,在940℃附近获得最大值。同时,变形失稳区包括2个典型区域,其中I区为(820～900)℃/(0.01～1) s~(-1),II区为(960～980)℃/(1～10) s~(-1)。变形温度为940℃时,较多的等轴α相和较高的再结晶驱动温度使得再结晶程度加强,因此能量耗散率获得最大值。绝热剪切带、片层α相与等轴α相之间的变形不协调以及β晶粒的剧烈长大是TA19钛合金高温变形失稳的主要原因。