超声振动对纯钛TA1微圆柱体压缩过程的影响

塑性成形中施加超声振动可以软化金属、改善材料成形性能,在拉拔等塑性成形工艺中已有广泛的应用,但超声振动在微成形中的应用则需要首先研究其对介观尺度材料成形性能的影响规律。文章设计了不施加超声振动和施加超声振动条件下纯钛TA1微圆柱体的压缩试验,研究了其流动应力的变化特点。试验结果表明,施加超声振动后材料流动应力的降幅随着试样尺寸的减小和超声振幅的增加而增加;材料的硬化指数随着单位体积材料吸收超声能量的增加先增大后减小。     

基于超声振动的纯钛TA1板材的成形性能

金属超声振动塑性成形具有低能耗、降低变形力和提高产品质量等优点。文章设计了一套用于研究纯钛TA1板材在超声振动下成形性能的试验装置,并对纯钛TA1板材进行拉伸试验,测定不同超声振动功率和频率下纯钛TA1的力学性能。结果表明,超声激振作用能有效降低材料的流动应力和屈服强度,且较低频率、大功率的超声振动更有利于提高TA1的成形性能,可应用于纯钛TA1超声振动塑性成形中,提高成形效率和产品质量。     

基于改进本构模型的超声辅助渐进成形仿真研究

在渐进成形加工中施加高频振动会引起被加工材料的塑性性能改变,并产生软化现象,从而降低加工过程中所需的成形力。首先,基于晶体塑性理论建立了描述金属塑性变形过程中应力-应变关系的理论模型,通过调整位错密度演化和热激活过程体现了超声施加后的声软化效应,构建了超声辅助成形加工时材料的本构模型。基于改进后的本构模型,通过ANSYS/LS-DYNA软件,对超声辅助渐进成形过程进行仿真模拟,获得了成形过程中成形力随成形深度的演变规律。通过超声辅助点成形实验,识别了本构模型参数并验证了仿真模拟结果,获得在一定频率下施加不同振幅时成形力的变化曲线。结果表明,在仿真时使用考虑软化效应的本构模型能获得更好的成形力预测效果。     

超声振动条件下AZ31B镁合金本构关系

通过理论、实验和模拟相结合的方法,探究超声振动在AZ31B镁合金塑性成形中的"体积效应"影响规律及作用机理。首先基于非局部理论建立了超声振动AZ31B镁合金的应力叠加模型并通过模拟进行了验证,然后基于热激活理论和位错演化理论,建立AZ31B镁合金在超声振动条件下的声塑性模型,并结合实验验证了模型的准确性。结果表明:应力叠加效应导致的应力下降值与超声振动振幅参数正相关。引入超声振动产生的应力下降值可以通过应力叠加效应模型和声塑性效应模型刻画。应力叠加效应导致材料的平均流动应力发生振荡而下降;声软化效应指位错吸收超声能量克服钉扎效应,从而利于材料塑性变形;声残余硬化效应主要体现在高超声能量导致材料位错密度大量增殖,位错在晶界处塞积、堆垛形成位错墙,阻碍塑性流动,导致材料出现残余硬化。     

超声振动辅助SUS304薄带塑性变形的Johnson-Cook本构模型

通过超声能场辅助SUS304薄带拉伸试验发现，薄带塑性变形过程中的流动应力明显下降，体现了超声的软化效应。硬化指数和硬化系数随着超声能量的增加呈指数增加，且伸长率也发生了明显的下降，说明超声能场的加入对材料产生了硬化作用。相较于常规拉伸，施加超声能场后薄带的应变速率也发生了明显的提升，说明超声提高了薄带的应变速率敏感性。基于Johnson-Cook本构模型，建立了超声能场作用下SUS304薄带塑性变形的本构模型，用于定量分析超声能场振幅对SUS304薄带塑性变形的影响。     

基于改进摩擦修正模型的TA2纯钛热变形行为研究

在Gleeble-3500热模拟试验机上对TA2纯钛进行变形温度为800℃～950℃、应变速率为0.001～1s^-1,压下量为50%条件下的热压缩变形试验。采用一种考虑应变的改进摩擦修正模型对原始试验数据进行摩擦修正,在对TA2纯钛高温流变曲线进行分析的基础上,研究其高温变形行为,构建TA2纯钛热变形本构方程。结果表明,在低应变条件下TA2纯钛流变应力迅速增加,达到峰值应力后流变曲线趋于稳态变化;流变应力随变形温度的降低和应变速率的增大而增加;可采用包含Z参数在内的双曲正弦形式的本构方程来描述TA2纯钛高温热变形行为,材料热变形激活能为480.944kJ/mol;流变应力的模型预测值与试验值之间相关性较高,相关系数R为0.964,表明本文基于改进摩擦修正模型所建立的本构方程具有较高的精度。     

工业纯钛TA1的双道次热压缩变形及软化行为

在Gleeble-3500热模拟试验机上对工业纯钛TA1进行单、双道次等温热压缩试验,变形温度为650~850 ℃,道次间隙时间为1~60 s,变形速率为10 s^-1,研究了工业纯钛TA1单、双道次热压缩过程中静态软化和动态软化行为。利用光学显微镜对变形后的微观组织进行观察,研究了工业纯钛TA1在不同变形条件下的微观组织演变。结果表明,工业纯钛TA1在单、双道次热压缩变形过程中表现出明显的硬化和软化行为,峰值应力前表现为加工硬化,峰值应力后表现为加工软化,最终达到动态软化和加工硬化的动态平衡。在道次间隙时间内发生静态软化,静态软化程度随着道次间隙时间的增加和温度的升高而增大。随着道次间隙时间的延长和温度的升高,道次间再结晶更加充分,第二道次变形后晶粒尺寸增加更明显,当发生完全再结晶时,软化程度达到最大。在热压缩变形期间,发生动态软化,650 ℃和750 ℃时以动态再结晶为主,850 ℃时以动态回复为主。     

超细晶工业纯钛的变形、应变速率敏感性和激活体积

在温度为250~450 ℃、应变速率为1×10-4-1 s-1的条件下,对超细晶工业纯钛进行变速率压缩实验,计算超细晶工业纯钛的应变速率敏感性因子和激活体积,并研究超细晶工业纯钛的变形行为。研究结果表明：超细晶工业纯钛在稳态变形阶段存在流变软化效应,这是受变形过程中大角度晶界和位错活动所控制的。超细晶工业纯钛的应变速率敏感性因子和激活体积在数值上都相对较低,应变速率敏感性随着变形温度的升高而增加,但激活体积独立于变形温度。应变速率敏感性和激活体积的数值表明晶粒内部位错之间的交互作用几乎不发生,而位错与晶界之间的交互作用显著影响超细晶工业纯钛的塑性变形。     

航空用TA15钛合金热变形行为研究

利用Gleeble-3800热模拟试验机,在温度800~980℃及应变速率0.001~1 s~(-1)范围内进行了TA15钛合金热压缩试验,研究了TA15钛合金在热变形过程中力学行为特点及微观组织演变规律。研究结果显示,变形温度和应变速率对流变应力影响显著。随着变形温度升高和应变速率的降低,最大变形抗力减小,且使得流变曲线在较小应变下即达到稳态。当变形温度低于或等于900℃时,随应变的增加合金的动态软化效应显著,当温度高于900℃时,合金的软化效应逐渐减弱,这主要与温度升高导致密排六方α相与体心立方β相两相比例改变进而导致主导软化机制改变有关。基于流变曲线,建立了考虑摩擦效应和应变补偿的热变形本构方程。对比分析表明所建立的双曲正弦型本构模型可较好地预测不同变形阶段合金流变应力,可为TA15钛合金热加工工艺的选择等提供参考依据。     

超声辅助微镦粗的位错动力学模拟研究

超声振动会明显降低材料塑性变形过程中的流动应力,但是超声振动引起这一现象的原因还有待深入研究。在介观尺度下基于二维离散位错动力学,根据纯钛的塑性变形特点,对位错的运动进行了合理的简化,建立了纯钛TA1的离散二维位错动力学模型,对超声辅助微镦粗进行了模拟研究。同时,利用所建模型研究了介观尺度下超声振动对于位错密度的影响,结果表明,在介观尺度下该二维位错动力学模型可较为客观地描述超声振动对材料塑性变形的影响;在介观尺度下超声振动会降低材料在塑性变形过程中的位错密度。     

工业纯钛TA1热压缩变形行为及本构方程

为了实现工业纯钛TA1的数值模拟,制定合理的自由锻工艺参数,利用Gleeble-1500D热模拟实验机对工业纯钛TA1在变形温度为700、800、900和950℃和应变速率为0.01、0.1、1和5 s-1条件下的流变应力行为进行研究,最大变形程度为真应变0.7。结果表明:工业纯钛TA1在热压缩变形过程中,出现了动态回复与再结晶;流变应力随温度的升高而降低,随变形速率的减小而降低;在高的变形温度与低的应变速率下,工业纯钛TA1容易出现软化;求得了热变形激活能(Q)和双曲正弦形式的Arrhenius本构方程。     

锻态工业纯钛热轧变形抗力热模拟试验

利用Gleeble-1500D热模拟试验机对锻态工业纯钛TA1进行高温拉伸试验,其变形温度为800~1050℃,变形速率为0.01~1 s-1,并对工业纯钛TA1进行变形抗力研究,分析了变形温度、应变速率和变形程度对变形抗力的影响。结果表明,变形抗力曲线主要以动态回复、再结晶软化为主要特征。温度对变形抗力的影响是以工业纯钛TA1相变点为界限。800和1000℃时,随应变速率增大,变形抗力先增大后减小;变形温度为850、900和1050℃时,变形抗力随应变速率增大而增大。变形抗力随变形程度增加,其变化呈两种趋势。     

TA15钛合金流变行为的一种本构模型

在Gleeble- 1500热物理模拟机上对多组TA15钛合金试样进行压缩试验,获得了不同变形温度、应变速率和应变下的应力-应变曲线.结果表明,应力迅速达到峰值后呈下降趋势,峰值应力随变形温度的升高而减小,随应变速率的增加而增大;引入包含软化因子的本构模型,并采用多元线性回归法可求解相应的系数.     

基于修正JC模型的TA12钛合金高温流变行为

为了研究TA12钛合金高温流变行为,构建能准确描述其高温流变行为的本构模型,对TA12钛合金进行了温度范围为700～850℃,应变速率为0.001～0.1 s~(-1)的高温拉伸试验。结果表明:在所研究的变形条件下,流变应力随应变的增加而逐渐增大,达到峰值应力后又逐渐减小,直至材料发生断裂,并在850℃、0.001 s~(-1)的变形条件下出现了稳态流动应力。综合考虑应变硬化效应、应变速率硬化效应和热软化效应的影响,提出一种修正的JC本构模型,可准确地描述TA12钛合金的高温流变行为。     

超声振动辅助成形本构模型

超声振动辅助成形技术是将超声振动与传统金属塑性成形相结合的一种加工技术,该技术可以有效改善加工方法,获得较好的成形结果。为了分析超声振动辅助成形技术的成形机理,文章综合考虑成形过程中的应力叠加效应和软化效应,确定一维状态下金属在超声振动作用下的本构关系,实现基于理论推导的超声振动辅助成形机理分析,并通过实验进行了验证。     

工业纯钛TA2中低温蠕变特征研究

工业纯钛TA2中低温蠕变行为存在显著的温度及应力相关性。基于外加应力水平和蠕变应变的变化关系,确定不同蠕变温度下的门槛应力水平。根据短时蠕变实验数据,利用包含稳态蠕变速率的本构方程外推稳态蠕变速率,而后进行两组相对长时的蠕变实验,证明了工业纯钛中低温蠕变是存在稳态蠕变阶段的。利用稳态蠕变速率与应力关系,计算出工业纯钛室温蠕变应力指数为6.96,也说明了外推稳态蠕变速率的可靠性。由中低温蠕变激活能随着蠕变进行变化不大（≈60KJ/mol）,且一直大于以位错为变形主导机制的变形激活能（30-40KJ/mol）,表明孪晶对于工业纯钛中低温蠕变发展整个阶段均起重要作用。根据蠕变后试样孪晶结构随温度的变化解释了TA2蠕变行为的温度相关性,同时也证明了孪晶对于TA2蠕变行为的重要性.     

钛合金片层组织两相区变形时的流动软化机理分析

钛合金片层组织在两相区变形时流动应力随应变的增加普遍表现为快速硬化和持续软化的特征.为了研究该流动软化的机理,采用等温热压缩实验研究了TC11合金片层组织在温度890—995℃和应变速率0.01—10s~(-1)范围内的热变形行为.理论计算表明α/β片层界面(α片层内孪晶界)产生的Hall-Petch强化效应远大于片层束集边界.TC11合金片层组织高温变形的流动软化机理可归结为硬滑移模式向软滑移模式转变导致Hall-Petch强化效应的减弱.     

纯钛TA1板材成形性能研究及微针成形中的应用

通过BTC-T1-FR020万能材料试验机,对宝钢生产的板厚为0.35mm,0.7mm,1.0mm的纯钛TA1板,进行准静态至低应变速率范围的拉伸试验,测试不同板厚和不同应变率下纯钛TA1的力学性能。结果表明,随着板厚的减小,纯钛TA1屈服强度提高;随着应变速率的增加,纯钛TA1屈服强度整体呈升高趋势,薄板(板料≤0.7mm)屈服强度提高过程中的波动现象可以用微成形中的表面层理论解释;对于厚度为0.7mm的钛板,塑性硬化速度随着应变速率的增加而增加,硬化速度可以通过硬化指数m直观反映。由此可知,厚板在低应变率下成形性能最好,可选用1.0mm钛板并在较小的成形速度下进行微针成形。     

42CrMo钢超声滚压残余应力及等效塑性应变研究

基于接触力学模型，建立了超声滚压加工残余应力分布的理论模型，模拟了不同静压力、进给速度和振幅下的超声滚压加工过程，分析了超声滚压加工后残余应力和等效塑性应变的分布情况。结果表明，试样表面会发生不同程度的塑性变形并产生残余压应力。随着深度的增加，残余压应力逐渐增大，在深度为0.4 mm处达到最大值，之后逐渐转为残余拉应力，最后残余拉应力和残余压应力趋于平衡。随着深度的增加，等效塑性应变先增大后逐渐减小，最后在深度约1 mm处达到0。加工参数中静压力对残余应力和等效塑性应变的影响最为显著，最大残余压应力和等效塑性应变随着静压力的增大而增大，最大残余压应力和最大等效塑性应变分别为-910.07 MPa和0.46。对比残余应力实验和仿真结果，发现二者残余应力随加工参数的变化规律一致，并且误差范围基本保持在10%以内，验证了有限元模型的准确性和有效性。     

高应变速率下TA1纯钛薄板的J-C本构及失效模型研究

为探究TA1纯钛的动态力学性能，对0.5 mm厚度的TA1纯钛薄板试样进行了准静态以及不同应变速率下的动态拉伸实验，建立了能够真实反映TA1纯钛在高应变速率和较大应变范围内的塑性变形特征的Johnson-Cook(J-C)本构模型，并对原始模型进行了修正；同时，对不同缺口半径的TA1纯钛拉伸试样进行了准静态拉伸实验，建立了基于应力三轴度的失效模型。将建立的J-C本构与失效模型应用于LS-Dyna中进行仿真模拟，并与实验数据对比，验证了模型的有效性与实用性。