纯铜径向微压缩塑性变形行为尺寸效应

对不同晶粒尺寸的纯铜多晶体圆柱试样,开展径向微压缩试样。实验结果表明,随着晶粒尺寸的增大,成形力减弱,分散性增大,并出现不规则表面。提出了基于表层晶粒位错堆积的修正表层模型和基于标准偏差理论和晶粒尺寸分布的流动应力波动性公式,分析了微压缩变形中的成形力尺寸效应。从表层晶粒以旋转为主要变形模式的角度,讨论了表层晶粒非均匀塑性变形。与实验结果吻合很好。     

Construction of a composite model of decreasing flow stress scale effect

Based on the composite model of polycrystalline plastic deformation, a new composite model was built, with which the relation of flow stress to grain size, dimension and shape of the billet can be well explained. Through the comparison of this model with experimental data and the surface layer model, its rationality was testified. Based on this model, with the definition of scale effect factor, the decrease of flow stress in micro scale was discussed and predicted, and conclusions were drawn as below: with the downscaling of billet dimension, the decrease of flow stress is gradually increased; with the increase of grain size, the decrease of flow stress is also gradually increased; the shape of billet has a significant influence on the decreasing flow stress scale effect.     

Discussion and prediction on decreasing flow stress scale effect

Based on crystal plasticity theory and surface layer model, relation of flow stress to billet dimension and grain size was built, and rationality of derived relation was verified with tensile tests of different size billets. With derived expressions, relation of decreasing flow stress scale effect to billet dimension, grain size as well as billet shape was discussed and predicted. The results show that flow stress is proportional to billet size; with decrease of grain size, flow stress is less influenced by billet dimension. When both cross section area and grain size are same, flow stress decrease of rectangular section billet or sheet is larger than that of circular section billet.     

微小尺度镦挤复合成形研究

为了研究晶粒尺寸对微成形工艺的影响,在常温下对具有不同晶粒尺寸微型铜圆柱体坯料进行了微型镦挤复合成形,获得了微小尺度下材料流动特点及相关工艺参数。所得结果表明,所成形的微型杆-法兰件挤出杆端随着材料晶粒尺寸的增大而逐渐呈现出凹凸不平的现象,即出现非均匀流动;随着晶粒尺寸的增大,凸模单位压力逐渐减小;晶粒尺寸的变化对于各个阶段成形力变化趋势没有明显的影响。     

喷射沉积过程中半固态流变组织演变

分析了喷射沉积过程中半固态流变组织演变过程,提出喷射沉积合金细小的等轴晶的凝固组织是飞行阶段快速冷却和沉积阶段沉积体表面糊状凝固层中半固态流变组织演变的结果,沉积体凝固过程是一种微米级流变铸造过程:不同大小、不同状态、不同温度、不同的运动速度的雾滴以高速高频的雾滴撞击沉积体表面,产生足够的剪切应力和剪切速率,使沉积体半固态糊状凝固层具有流变特性,飞行阶段形成快速凝固组织在沉积阶段沉积体表面糊状凝固层中发生变温粗化,最终形成细小的等轴晶。     

冷搓成形工艺参数对花键晶粒度影响的研究

根据花键轴零件冷搓时所使用刀具的参数以及轴坯的基本参数建立模型;对花键轴的冷搓加工过程进行数值模拟,模拟的花键齿形与实际相符。在此基础上设置模型的微观仿真参数,从微观层面上对加工过程中微观尺寸的变化进行仿真。由于材料性能与其晶粒尺寸有关,故冷搓成形过程中以微观晶粒尺寸与数量变化情况作为指标,采用正交试验探究摩擦因数、搓齿运动速度以及环境温度对晶粒度的影响程度。通过极差和方差法分析3个因素对材料微观晶粒尺寸的影响,得到搓齿运动速度对晶粒尺寸的影响显著。     

微成形工艺数值模拟多晶体模型

从坯料的多晶体结构角度考虑自由表面影响构建多晶体模型。该模型中将坯料分为自由表面层、过渡层和内部层三部分。将自由表面层中的晶粒看作单晶体,通过引入晶体取向考虑晶体变形的各向异性,解释塑性变形的非均匀性;在过渡层中,考虑相邻晶粒的影响;在内部层中,将晶粒看作类似多晶体材料变形。使用建立的模型,采用MSC Superform软件模拟镦粗变形过程。模型分析结果表明,坯料塑性变形出现了流动应力的分散性和变形的非均匀性。计算结果与试验结果吻合较好,这说明建立的模型是有效的。     

矩形章精压坯料形状的确定方法

矩形章精压成形的坯料形状一般为非矩形,若坯料几何参数选取不当,加工过程中容易出现图纹填充不足或边部毛刺等问题.本文提出了矩形章精压坯料形状的确定方法,建立了通过反算法获得坯料形状几何参数的数学模型.采用DEFORM-3D软件,由数值模拟获取模型参数进行计算,对精压过程速度分布及变形材料最小距离分布进行分析,确定了合理的矩形章精压坯料的形状尺寸,并由物理试验得到验证.     

微型正挤压尺度效应实验研究

为研究晶粒尺寸对微型正挤压工艺的影响,设计了微成形实验,在常温下对具有不同晶粒尺寸的微型铜圆柱体坯料进行了微型正挤压成形,获得了微小尺度下材料流动的特点及相关实验参数。所得实验结果表明,随着晶粒尺寸的增大,成形实验的可重复性变差,即材料出现非均匀流动;凸模的单位压力逐渐减小,但是成形过程中成形力变化趋势并不随晶粒尺寸的变化而变化。     

铸坯表层原奥氏体晶粒大小预测

以铸坯表层原奥氏体晶粒尺寸理论计算为基础,建立了连铸坯表层奥氏体晶粒尺寸计算模型,用面向对象的Visual Basic 6.0高级语言,开发了相应的计算机计算软件。该软件具有较好的准确性、实用性、通用性和易操作性,其仿真结果能较好地指导现场工作和实验室研究。通过仿真计算可以得出钢中碳质量分数为0.15%~0.18%时铸坯表层奥氏体晶粒尺寸较大,特别是碳质量分数0.17%时,原奥氏体晶粒尺寸最大。还可以得到结晶器冷却速度与表层原奥氏体晶粒尺寸的定量关系,随冷却速度的增大,铸坯表层原奥氏体晶粒尺寸呈指数的衰减关系。     

Towards the first generation micro bulk forming system

The industrial demand for micro mechanical components has surged in the later years with the constant introduction of more integrated products. The micro bulk forming process holds a promising pledge of delivering high quality micro mechanical components at low cost and high production rates. This work describes a number of prototype system units, which collectively form a desktop sized micro forming production system. The system includes a billet preparation module, an integrated transfer system, a temperature controlled forming tool, including process simulation, and a dedicated micro forming press. The system is demonstrated on an advanced micro forming case where a dental component is formed in medical grade Titanium.     

齿轮钢大圆坯的铸态组织及轧制遗传性

基于φ500 mm大圆坯连铸连轧生产22CrMoH汽车桥齿钢的工艺,通过对铸坯低倍组织及高倍金相组织、轧后带状组织系统分析,开展了齿轮钢大圆坯铸态组织及轧制遗传性研究。研究发现,22CrMoH齿轮钢连铸大圆坯近表面细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区的枝晶尺寸存在明显差异;自表面至芯部二次枝晶间距逐渐增加,退火状态下枝晶主干位置以铁素体为主,枝晶间以珠光体为主;轧后带状组织形态主要受铸态组织二次枝晶间距和轧制变形的影响;轧后退火态铁素体带宽自表面至芯部呈现增加趋势。     

刮板锻造成形工艺的模拟研究

针对刮板锻造成形进行工艺分析,确定合适的分模面。利用有限元软件对刮板的2种制坯工艺方案模拟,确定合理的制坯工艺。选用不同尺寸的坯料,模拟分析金属流动情况、应力应变分布、成形载荷等,确定最优坯料,提高材料利用率。     

基于有限体积法的铜母线连续挤压扩展成形的数值模拟

对连续挤压几何模型进行简化,基于MSC.SuperForge软件平台,成功实现10mm×80mm铜母线连续挤压扩展成形的有限体积数值模拟,避免了刚塑性有限元法模拟大变形需要多次网格重划,体积损失等难题。获得了金属在模腔内的流动-应力-温度-组织耦合变化规律,详尽的分析了整个扩展变形流动过程与各物理场之间的关系,进一步探明了模腔结构对成形过程的影响。结果表明,在成形过程中,坯料最高温度约为872K,出现在坯料与挡料块接触的表面上;当趋于稳定状态时,扩展腔内坯料温度分布比较均匀一致,约为660K;坯料密度发生了明显变化,镦粗段坯料密度最高,为8.962×103kg/m3,产品成形区域坯料密度最低,在8.750×103kg/m3~8.771×103kg/m3之间。在镦粗段内,坯料与挤压轮的打滑量为32%,在镦粗前,坯料与挤压轮保持同步。坯料作用在腔体上的压力高点出现在腔体挡料块顶端,压力为473MPa。扭矩校核表明,数值模拟结果和实测结果吻合较好。     

挤压铝合金表面再结晶数值量化分析

铝合金挤压及热处理过程中,产品表面金属组织的再结晶现象是影响生产效率和产品质量较为重要的因素。通过模具优化设计和生产工艺参数优化设计,对包括挤压比、挤压轴速度、坯料温度、挤压模式等在内的参数调整,可以有效控制产品表面及内部组织的再结晶现象。为解决优化设计过程中普遍存在的成本较高和周期较长等制约因素,通过数值模拟及基于统计学原理的实验设计技术,包括FEM技术、材料微观冶金建模技术,基于统计学原理的Taguchi实验及结果分析相结合的方法;FEM结合冶金模型二次开发,可以较为精确的模拟挤压过程中金属组织结构的演化;结合实验设计(Design of Experiment,DOE),如Taguchi等方法,可以量化分析出主要的工艺参数对于产品表面再结晶的影响。该研究为工艺优化设计提供了有力的工具。     

万向节叉热成形过程模拟研究

建立了万向节叉热成形工艺的刚粘塑性有限元模型，分析了在不同毛坯尺寸下万向节叉热成形过程的变形情况及可能产生的缺陷，为获得合理的毛坯尺寸提供了理论依据。     

晶体塑性模型分析微圆柱墩粗变形尺寸效应机理(英文)

为了分析单个晶粒变形行为对微成形的影响,将自由表面的晶粒看作单晶体构建晶体塑性模型。基于率相关晶体塑性理论,考虑试样尺寸、初始晶体取向及其分布,分析微圆柱体墩粗变形中尺寸效应机理。结果表明,流动应力随着试样尺寸的减小而明显减小,晶体取向的分布对试样流动应力具有显著影响,并随着塑性变形的进行而减小。由于单晶体的各向异性,在试样表层发生了明显的非均匀变形,这将导致表面粗糙度的增加,小尺寸试样则更加明显。过渡晶粒的存在使得晶粒各向异性对表面形貌的影响减小。模拟结果得到了实验验证,这表明所建立的模型适合于以尺寸依赖性、流动应力分散性和非均匀变形为特点的微成形工艺分析。     

微细薄板尺度依赖的材料本构模型的构建(英文)

通过表面层理论和金属晶体塑性变形原理解释微细薄板材料在塑性变形中产生尺寸效应的内在机理。引入尺度参数,对经典的Hall-Petch公式进行修正,建立基于表面层模型理论的尺度依赖材料模型。利用所建立的材料模型分析微细薄板厚度及其晶粒尺寸对材料成形流动性能的影响。在晶粒尺寸一定的情况下,随着微细薄板厚度的减小,材料流动应力逐渐降低;晶粒尺寸越大的微细薄板,其流动变形的尺寸效应现象越明显。利用不同厚度的不锈钢和纯铜箔材的微细薄板拉伸真应力-应变曲线对所建立的材料模型进行验证,计算结果与实验结果比较吻合,验证了所建立的材料模型的合理性。     

Microstructure optimization in design of forging processes

A new approach based on sensitivity analysis for optimizing the microstructure development during the forging processes is proposed in this work. The analytical sensitivities of the recrystallization volume fraction and dynamically recrystalized grain size with respect to the design variables are derived. The mean grain size in each finite element is introduced so that the complex recrystallization mechanics, such as no recrystallization, partial recrystallization and complete recrystallization are all considered. The objective is to minimize a function describing the variance of mean grain size and the average value of mean grain size in the whole final product. Two constraints are imposed on die underfill and excessive material waste. Two different kinds of design variables are considered, including state parameter (initial shape of billet) and process parameter (die velocity). The optimization scheme is demonstrated with the design of a turbine disk made of Waspaloy in non-isothermal forging process. The optimal initial shape of billet and the die velocity are obtained.     

多台阶轴头短流程冷精锻成形工艺

针对某型号多台阶轴头形状尺寸及冷精锻工艺特点,采取挤压、镦粗、缩径等不同工艺在工序内结合应用的方法,制定了多台阶轴头短流程冷精锻成形工艺。通过数值模拟和实验研究相结合的方法,对所制定的工艺进行分析研究,最终获得了两道工序成形8个台阶尺寸的多台阶轴头短流程冷精锻成形工艺,并在实验过程中采用了高分子润滑剂,进一步缩短了从下料到最终成形的整个工艺流程。结果表明:通过合理分配各工序变形量、工序内多种冷锻工艺结合应用的方法,可有效减少台阶轴冷精锻成形工序总数,实现在普通压力机上的高效率生产;Deform-3D模拟软件对工艺的模拟结果与实验结果相一致,说明有限元模拟对成形效果、压力大小的预测是可行的。