（材料加工工程专业论文）静液压力下7075铝合金圆环塑性变形研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 通过对 7 0 7 5铝合金圆环在静液压力作用下的压缩过程 ( 以下简称 “ 静 液压缩” )进行数值模拟，分析了圆环内外静液压力、圆环形状因子兄 c a 一 h i ( d - 刃) 以 及 圆 环 与 模 具 间 摩 擦 三 个 因 素 对 圆 环 压 缩 变 形 方 式 的 影 响。结果表明，适当的内外静液压差，能够减小圆环压缩变形的不均匀性， 而且通过控制压差，可以 使变形朝着预期的方向进行;圆环的形状因子对变 形影响较大，形状因子增大，则变形不均匀性增加，易产生折叠;摩擦因子 对圆环变形影响也具有一定的规律性，摩擦因子小，变形均匀，圆环内外径 均增大，摩擦因子大时，变形不均匀明显，内壁由外凸式变形逐渐向内凸式 变形转移，根据形状因子不同还可分为内凸单鼓形和内凸双鼓形两种变形方 式。 通过理论分析与模拟相结合的方法，揭示了圆环压缩时的应力应变特 点，研究了 7 0 7 5铝合金圆环静液压缩过程中，静液压力对应力分布的影响 规律。结果表明，当在圆环内 外施加一定的静液压力时，变形区材料内 部原 本处于两拉一压或两压一拉应力状态的点在一定压力下均转变为三向压应力 状态，使平均应力向压应力方向转移;同时提高了材料应力状态柔性系数， 使塑性变形能力增强。 设计制作了用于圆环静液压缩试验的模具，通过试验研究，得出了 7 0 7 5铝合金圆环压缩时静液压力对极限相对压缩量的影响规律。试验结果 表明，在一定压力范围内，随着静液压力的增加，圆环的极限相对压缩量呈 线性增加，静液压力能够显著提高 7 0 7 5铝合金的塑性变形能力。而且，形 状因子越大的圆环，其极限相对压缩量越低。 最后，本文还分析了 7 0 7 5铝合金圆环压缩时裂纹的产生方式，指出最 大剪应力促使圆环接触表面与外侧表面交界处首先产生裂纹，并沿剪应力方 向扩展直至最后材料发生整体剪切断裂。 关键词圆环;压缩;静液压力;数值模拟 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ab s t r a c t a n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n a l y s i s h a s b e e n c o n d u c t e d f o r a lu m i n i u m a l l o y 7 0 7 5 i n t e r n a l a n d e x t e r n a l r i n g u n d e r t h e h i g h h y d r o s t a t i c p r e s s u r e . t h e p r e s s u r e , s h a p e f a c t o r o f t h er i ng a n d f r i c t i o n r i n g a n d t h e d i e p l a t e s o n t h e d e f o r m a t i o n a r e a n a l y z e d d u r i n g t h e p r o c e s s . t h e r e a s o n a b l e d i f f e r e n c e b e t w e e n i n t e r n a l a n d e x t e r n a l c o mp r e s s ing i n fl u e n c e s o f b e t we e n t h e c o mp r e s s i o n p 代s s u 邝 c a n r e d u c e t h e n o n u n i f o r m i t y i n t h e c o m p r e s s i o n p r o c e s s . d e f o r m a t i o n c a n b e d e v e l o p e d t o t h e p l a n n e d i n t e n t i o n b y c o n t r o l l i n g t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n i n t e r n a l a n d e x t e r n a l p r e s s u r e . t h e s h a p e f a c t o r o f t h e r i n g h a s i m p o r t a n t i n f l u e n c e o n t h e d e f o r m a t i o n o f t h e r i n g c o m p r e s s i o n . wh e n s h a p e f a c t o r g r o w s , t h e n o n u n i f o r m i t y o f d e f o r m a t i o n g r o w s a n d p u c k e r o c c u r s e a s i l y . t h e i n fl u e n c e o f f r i c t i o n a l c o e f f i c i e n t o n t h e d e f o r m a t i o n o f r i n g c o m p r e s s i o n i s r e g u l a r . wh e n f r i c t i o n a l c o e f f i c i e n t i s s m a l l , t h e r i n g d e f o r m s e q u a l l y a n d b o t h t h e i n t e r n a l d i a m e t e r a n d e x t e r n a l d i a m e t e r i n c r e a s e . o n t h e o t h e r h a n d , w h e n f r i c t i o n a l c o e ff i c i e n t g r o w s , n o n u n i f o r m i t y o f d e f o r m a t i o n o f t h e r i n g b e c o m e s o b v i o u s l y a n d m o v e m e n t o f i n t e rn a l w a l l c h a n g e s f r o m g o i n g t o o u t s i d e t o g o i n g t o i n s i d e t h e m o v e m e n t o f in t e r n a l w a l l c a n b e d e f i n e d a s s i n g l e b u l g e a n d d o u b l e b u l g e s w i t h t h e d i f f e r e n c e o f s h a p e f a c t o r . t h e c h a r a c t e r i s t i c o f s t r e s s a n d s t r a i n s t a t e s i s t h e o r e t i c a l l y a n d n u m e r i c a l l y a n a l y z e d . t h e i n fl u e n c e o f h y d r o s t a t i c p r e s s u r e o n t h e d i s t r i b u t i o n o f s t r e s s o f t h e r i n g i n t h e c o m p r e s s i n g p r o c e s s i s d i s c u s s e d . t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e s t r e s s s t a t e c h a n g e s f r o m d o u b l e t e n s i l e a n d o n e c o m p r e s s i v e o r d o u b l e c o m p r e s s i v e a n d o n e t e n s i l e t o t h r e e c o m p r e s s i v e a n d me a n s t r e s s t r a n s f e r s t o c o m p r e s s i o n u n d e r c e rt a i n h y d r o s t a t i c p r e s s u r e . a t t h e s a m e t i m e , t h e y i e l d i n g c o e f f i c i e n t o f s t r e s s s t a t e i n c r e a s e s a n d a b i l i t y o f p l a s t i c d e f o r m a t i o n i s i m p r o v e d t h e m o l d o f r i n g c o m p r e s s i o n u n d e r h i g h h y d r o s t a t i c p r e s s u r e i s d e s i g n e d a n d p r o d u c e d . t h e e f f e c t s o f h y d r o s t a t i c p r e s s u r e o n t h e c o m p r e s s i o n l i m i t o f r i n g a r e m a d e c l e a r b y e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s . t h e c o m p r e s s i o n l i m i t i n c r e a s e s w i t h a n i n c r e a s e o f h y d r o s t a t i c p r e s s u r e , a n d t h e i n c r e a s e d i s p l a y s l i n e a r l y i n a c e r t a i n p r e s s u r e r a n g e . t h a t i s , h y d r o s t a t i c p r e s s u r e c a n i m p r o v e t h e a b i l i t y o f p l a s t i c d e f o r m a t i o n o f t h e a l u m i n i u m a l l o y 7 0 7 5 r i n g i n c o m p r e s s i o n 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 p r o c e s s . f u r t h e r m o r e , t h e b i g g e r t h e s h a p e f a c t o r i s , t h e s m a l l e r t h e c o m p r e s s i o n l i mi t i s f i n a l l y , t h e o c c u r r i n g m o d e o f c r a c k i n t h e r i n g d u r i n g c o m p r e s s i o n p r o c e s s i s a n a l y z e d . t h e m a x i m a l s h e a r s t r e s s p r o m p t t h e a r e a w h e r e c o n t a c t s u r f a c e m e e t s w i t h o u t s i d e s u r f a c e c r a c k f i r s t , e n s u e d i m m e d i a t e l y b y e x p a n d e d c r a c k i n t h e d i r e c t i o n o f m a x i m a l s h e a r s t r e s s a n d f o l l o w e d b y t h e f r a c t u r e o f t h e r i n g . k e y w o r d s r i n g ; c o m p r e s s i o n ; h y d r o s t a t i c p r e s s u r e ; n u m e r i c a l s i m u l a t i o n m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章 绪论 1 . 1 引言 在塑性加工的研究实践过程中，研究者们逐渐总结得出，材料在三向 压应 力状态下，塑性得到提高。从而开拓了塑性加工的一些新领域，如静液挤压、 包套墩粗等成形工艺。 近年来，为满足航天航空及汽车制造等领域对结构轻量化的需要，各种新 型轻合金及复合材料不断涌现， 这些材料由 于其低密度、高比强度、好的减震 性、优良的导电导热性及良 好的尺寸稳定性和电 磁屏蔽性， 在航天航空及现代 汽车工业中具有举足轻重的作用，应用前景越来越广阔。但是大量的 轻合金及 复合材料往往塑性成形性能很差，生产复杂形状的精密零件就需要很多工序， 这给加工领域的研究人员提出了 许多课题， 如何针对新材料开发新的成形工艺 和手段是我们必须认真思考的问题和努力的方向。目 前应用于航空航天和汽车 制造业中的各种超强合金及金属基复合材料大多塑性较差，常温下成形困 难。 为提高其成形性能， 通过液压构成三向压应力成形环境，从而提高其成形极 限，有望成为一种有效的工艺方法。 1 .2 静液压力下材料变形行为的研究历史与现状 所谓塑性，是指固体材料在外力作用下发生永久变形，而不破坏其完整性 的能力。 材料的塑性不是固定不变的。同一种材料， 在不同的变形条件下，会表现 出不同的塑性。例如:在通常情况下， 铅具有极好的塑性， 但在三向等拉伸应 力作用下，却像脆性材料一样地破坏，而不产生任何塑性变形。反之，极脆的 大理石，在三向压应力作用下则可能产生相当大的塑性变形。 影响材料塑性的因素主要有以下两方面。 ( 1 ) 材料本身的晶格类型、化学成份和金相组织等。 ( z ) 变形时的外部条件，如变形温度、变形速度及受力状况等。 在不同应力状态下材料所表现出的塑性不同。 例如，由 实践可知，单向 压 缩可达到的变形程度比单向拉伸大得多，三向 压应力状态的挤压比二向 压缩一 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 向拉伸的拉拔能发挥更大的塑性，同样是具有三向压缩主应力的徽粗，但它所 具有的塑性不如挤压变形的大，等等。这些现象说明应力状态图中 主应力的个 数、正负以及主应力的数值都对金属的塑性产生着影响。 人们很早就开始关注静水压力对材料成形的影响，通过德国学者卡尔曼的 大理石和红砂石试验，可以 清楚地阐明应力状态对塑性影响的根本原因。卡尔 曼将圆柱形大理石和红砂石试样置于 特制仪器中 进行压缩，该仪器除了 进行轴 向 压缩外， 还可以 对试 样施加侧向 压 力 ( 用甘油压 入仪器的 试验腔 室内 ) 。 试验 表明，在只有轴向压力作用时，大理石和红砂石均显示完全脆性，在轴向及侧 向压力同时作用下，却表现出一定的塑性。并且，侧向压力愈大时，变形所需 要的轴向压力也愈大，塑性亦愈高。卡尔曼试验仪器的工作部分及试验结果， 见图 1 - 1及图 1 - 2 。由于受到当时试验条件的限制，卡尔曼所得到的大理石压 缩程度约为8 -9 %，红砂石约为6 -7 0l 0 。此后，前苏联人拉斯切加耶夫在更大 的侧向压力下进行了大理石压缩试验， 获得了7 8 %的变形程度，并在很大侧向 压力下拉伸大理石，得到了2 5 %的延伸率，出现了像在金属试样上出现的那样 的 缩 颈fl 少 篓 剐黔日厅 二止5 佬 ，. 舀二二l 刃 - 愁 坦 进 ) 曰 口尸曰 尸 胜l 广 l i 目 军 味 f 砂 、 桩l w- i 润e 玻坏 图1 - 1 试 验 仪 器 工 作 原 理 p 1 文献 2 的作者指出，在某些情况下 压峨 和 度 ， ， 图1 - 2 试 验 结 果 1 t 1 ，当材料由拉伸状态转变到压缩状态 时， 材料的力学性能和塑性指标的数值急剧变化，如表1 - 1 该文还指出 化没有重大影响 ，在韧性破坏的情况下，静水压力的不大的变化，对塑性的变 。有时甚至静水压力的很大的变化， 化。可以举出许多这样的例子:由拉伸过渡到压缩， 也不会引起塑性的很大变 对塑性的变化没有影响或 者几乎没有影响。反之，在脆性破坏时静水压力的不大的变化，对塑性指标的 变化却可能有显著的影响。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表1 - 1 当由 拉 仲过 渡到 压 缩时塑性指标急 剧变化的 例子1. 1 材料热 处 理 强度极限 公 斤 曝米2 断裂时的f积 收 缩率， % 没有径向 压力时 有径向 压力时 没 有 径 向 压力时_ 有径向 压力时 铜 被rmn 镁 m a 2 镁合金 a i- c u - m g - z n 合金 a 月 5 铸造铝合金 b o a 0 - f 退火 8 0 1) 0 下在水中 淬火 3 6 0 ” 一 卜 退火 在供应状态下 4 3 0 0 下在水中淬火 5 2 5 0 下淬火并经人 _工 时效 21 3 4 8 . 4 2 2 . 3 2 3 . 9 3 9 .4 1 6 .9 2 2 . 1 5 83 2 5 . 9 3 名 4 7 乃 2 0 , 7 7 1 . 5 4 3 9 75 3 2 . 4 1 7 .2 1 . 9 8 4 3 5 4 . 6 2 1 4 2 8 . 0 2 3 . 9 6 . 3 上述结果表明，提高三向压缩应力状态，能充分发挥材料的塑性，这实质 上是应力张量中的静水应力分量在起作用。应力状态中的压应力个数多、数值 大，静水压力也大，则塑性好:反之，压应力个数少或数值小，或甚至存在拉 应力， 则静水压力减小， 塑性就差。 因此我们可以 通过选择三向 受压较强的变形方式来提高材料的塑性。例 如，挤压变形时的塑性高于开式模锻，而开式模锻又比自 由锻对提高塑性有 利。 在锻造低塑性材料时可采用一些增强三向 压应力状态的措施，以防止锻件 开裂。例如带活动套环或包套的锻粗，在用活动套环墩粗低塑性的高合金钢 时，毛坯经小量变形后与套环接触， 然后取走垫铁，使毛坯与套环一起徽粗， 套环由普通钢制成，其加热温度比毛坯低些以对毛坯径向 流动造成阻力，使静 水 压力增 加， 从而 提高了 塑性。 图1 - 3 为带活 动套环和包 套徽粗的示 意图川 : 图1 - 3 用 活 动 套 环a 和 包 套b ) 徽 粗 讲 1 . 毛坯 2 . 外套 3 . 套环 4 . 垫铁 近年来，由 子各 种新材料的开发与应用， 研究者们愈加注重于静液压力 对 材料塑性， 机械性能等方面的影响的研究。 n a s t y = 等人对铝基复合材料 ( n i mc )及镁合金 ( a z 4 2 t z ii 3 q )进行了套环嫩粗试验和数值模拟。具体是 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 在压缩试样的外围套上一个钢套，从而在压缩时给试样一个附加的 静水压力。 变形越大则作用在试样上的静水压力越大，从而使试样产生理想的变形而不出 现裂纹， 模拟结果与试验也非常吻合， 表明这些材料的 冷成形是可能的r 气 刘兵等人利用带小孔的恒定高压发生装置，通过高压拉伸、压缩及模锻试 验在静液压力下对三种s i c p / a l 复合材料的 变形行为进行了 研究，得到所选用 三种材料的延伸率随静液压力的变化规律。 其在试验压力范围内呈线形提高。 s i c p / a l 在高压拉伸和压缩时， 其塑性与常压相比 有很大提高。 在试验压力范 围内 ， 延 伸率8 随 压力 p 升高 呈 线 性 增 加， 而 断 面 收 缩率y/ 呈 指 数规 律 增 加 15 1 0 如 图 1 - 4 , 图 1 - 5 .- 口 角 侧店 舍 8 0 常压下的延伸率; k 一 一-e k 力影响系数: a - 一 静液压力 压力影响系数k 反映了压力对材料塑性的影响。 k 值不同，说明压力对不 同形状、不同 成分，不同 性能材料的塑性影响程度不同。 多 项 式 拟 合 ， 得出 断 面 收 缩 率v / 随 静 液 压 加的 变 化 规 律 ; yf 二 叽 十 戈 ( p 一 八 卜 凡 ( p 一 a ) z + 凡 ( p 一 八 ) ， 对试验数据进行3 次 ( 1 - 2 ) 式中 vf o - 常压 下 的 断 面 收 缩 率: k - - - e , 力影响系数; 哈尔滨工业大 学工学硕士学位论文 产一 一静液压力; 乃一 一 临界压力 研究表明， 静液压力能显著提高 s i c p i a l 复合 材料的塑性， s i c p / a l 复合材 料在室温高等静压下可进行大变形，得到质量优良 的零件，从而证明静液高压 变形可以 成为难变形m m c 材料成形的 有效途径之一16 1 w. s k r o t z k i 等人在室温条件下进行了大气压和0 a g p a 环境压力下的n i a l 多晶体的压缩试验，应力应变曲线表明，在静液压力作用下应力及应变强化速 率 得到明显 提高1 1如图 1 - 6所示。 而且， 晶向 与压 缩方向 平 行时 应变 硬化速率e 晶向 与压缩轴平行时更高， 微裂纹也v示同 样趋势。 并认为在特定压力下变形的试样其微裂纹是卸载后内 部应力释放引起的。 多 二一一 t e m 四 n 陌 2 9 3 k 八 如.时 .旧脚 旧 的山 e 一 。 喇功 陌“心 p d 翻 角 湘 n 洲 .犯4 扩 晓钩众, 5晓苦 石山 尸 睦少 s tr a 的 %7 目 周0泊 一狱奖 图1 - 6静液压 力 下 材料应力应 变曲 线 17 1 同样， k o o k .d .p a e 也 通过实验分析得出了复 合材料在各种静液压力作用下 的应力应 变曲 线， 如图 1 - 7 和图1 - 8 所示。由图 可以 看出， 静液压力能明 显提 高复合材料的塑性1 挤压加工还可以 消除 s i c p / a i 毛坯中的 显微疏松缺陷，改善铝合金基体对 s ic 颗 粒 损 伤 的 容限 性 能， 从 而 大 幅 度 地 提高 复 合材 料的 强 度 和塑 性 io 1 h . w w a g e n e r等人冷挤了钦合金、铝基复合材料和高强度钢三种材 料，在挤压过程中利用一个反向力可使变形区的静水压力提高，得到了它们冷 挤工艺成形参数 ( 载荷、压力) ，通过提高成形区静水压力的办法避免挤压过 程中和成形后裂纹的产生。采用这种办法，这些材料的塑性得到提高，工件的 塑性变形更加均匀，从而使脆性金属或合金能像低碳钢一样进行挤压，工件挤 压模所需的反向压力也可由塑性基本原理预测。 这种方法中，平均应力向压缩 方向 转 移使材 料成形 性 提高 11 ， 刀 。 汉诺威大学的 研究机构设计了 进行静液压力作用下徽粗的试验装置，给出 原理图 及试验装置系统。以a lz n m g c u 1 . 5 为 试验材料在室温到2 5 0 的 温度区 间内 进行了 试 验，并 进行了 数值模拟。 试验中 最大静水压力达6 0 m p a ， 结果四 种相对高度不同的试样在静液压力下都能得到预期的变形量，而没有静液压力 作用的试样在很小的变形量下就产生了 裂纹。从而可以看出，低塑性材料的成 形极 限 在 静 液 压 力 作 用 下 能 够得 到 显 著 提高， 并 且强 度 增加 。 a 1 a f . z o k 等 人 研 究了 低塑性材料的静液挤压和拉深工艺， 得到了2 0 1 4 a 1 - s ic复合材料和n i 3 a 1 的静液挤压及拉深工艺参数，给出了不同挤压和拉深工艺的成形极限，证明脆 性合 金及复合 材料可用静液挤压和拉深的方法成形11 4 1 1 .3 徽粗工艺理论和圆环压缩方面的研究现状 在徽粗工艺理论和圆环压缩方面很多学者进行了试验和数值模拟研究，王 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 仲仁等人通过试验研究和数值模拟， 从等效应变和等效应变速率两个方面， 对 墩粗过程中塑性变形的发生和发展进行了研究。 认为对于柱形坯料墩粗，鼓肚 表面处的平均应力代数值最大，并且一开始变形就出现了 环向拉应力，这是该 处 易 出 现 纵 向 裂 纹 的 一 个 重 要 原 因 。 在 坯 料 对 角 线 附 近 的 区 域 中 ， 应 变 分 量 及a 的 绝 对值均大于工 件与 模具 接触 面中 心及 鼓 肚中 心处的 相应值， 说明 对角 线附近为剧烈变形区。墩粗时鼓肚表面处在整个变形过程中 近似为平面应力状 态， 并且随着变形的 进行， 该处的 应变类型由 压缩类向 平面应变类发展。 5 , 1 6 1 刘助柏等人建立了平板间墩粗圆柱体静水应力力学模型的拉应力理论。该 理论 认为墩粗体中 心区 域在压下量 较小的 情况下 会出 现拉应力，而并非总是处 于三向 压应力状态， 并通过数值模拟和物理模拟的方法进行了 验证 1 7 ,1 8 ， 一 早一 州。 、 尔 幻 印 d2 句1 印 jc2 i 一刚 性区 1 i 一主 动 变 形 区 m 一被 动 变 形 区 n 一均 匀压 缩区 图 1 - 9 刚 塑 性力 学 模型的 拉应力 理 论 1 8 同时很多学者对徽粗工艺措施进行了 有限元模拟，分析了传统的三种减小 嫩粗鼓形的措施，其中套环内墩粗减小鼓形的效果最为明显，在很大程度上提 高了 徽粗件的 变形 均匀 性， 这与实 际生 产是 相吻 合的 1 1 9 ,2 0 1 文献 2 1 1 的作者采用有限元模拟软件对圆 环在平板间徽粗变形过程进行了 研究，分析了毛坯形状、摩擦系数、 变形程度等因素对圆环墩粗成形时金属流 动的影响。 俞彦勤等对管料的锹粗变形进行了分析， 提出了管料压缩的四种变形模 式，如图 1 - 1 0 。同时对筒形件墩粗的变形机理、变形工艺改进等方面进行数值 模拟和试验 研究2 2 ,2 3 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a 外凸单鼓形b )内凸双鼓形c )内凸单鼓形 图1 - 1 0管 料 锻粗的四 种变形 模式 (2 2 1 d 折叠形 t . r o b i n s o n 等人通过物理模拟试验和有限元模拟研究了 环形件压缩变形行 为，进行圆柱压缩试验获得材料的应力应变关系。展开了一系列试验以 得到多 种润滑条件下的摩擦系数，总结了 摩擦系数对环形件变形的影响(2 4 1 e d a n i e l l e k u g le r 设计了 一种压 缩 试验装置 和分 析方法， 装置能 够在环形 件上加载静液压 力和轴向 压力， 计算分析了 试验用复合材料的 应力应变， 分析了 拉应力对复合 材料 环形件压缩试验的 影响 (2 5 1 , h a m z a h 通过 数值模 拟对环形 件的 锻造成形过 程进行了研究，分析了 两种变形工艺条件下环形件的变形机理，分析了应变与 变形方式及应力状态的影响， 缺陷产生的原因并提出了 改进措施(2 6 1 1 .4 材料断裂机理的研究历史与现状 为了研究材料断裂的机理，很多学者作了大量的研究工作。陈昌 麒对各种 工业铝合金和单晶体进行了大量的实验研究和理论分析， 变形的平面应变状态 ( 外在或内 在的 ) 和应变硬化率趋近于零是产生剪切应变局部化的基本条件， 剪 切应 变局 部 化导 致剪 开， 即 为 穿晶 剪 切断 裂 2 71 a f . l o u c h e t 研究了a i- m g - s i 合金在三种时效状态下的拉裂行为，认为只有在欠时效状态下合金才表现出强 烈的 变形 局部 化2 1 1 o d .j . l a h a i 。 通过 试验与 模 拟研 究了 颗粒增 强复合 材料在 静 液挤压过程中的损伤积累及机械性能，在考虑静水压力和轴向偏应力分量的情 况下建立了 颗粒裂纹的微观机械模型。 模型用于合理优化损伤积累的 趋势中的 颗 粒 含 量、 颗粒 类型 及载 荷 配置 (2 9 1 。 文 献 3 0 1 对 a i/ s i 材料 进行 数 值 模 拟 研 究 微观组织对裂纹生成的影响。裂纹表现为在较高三向应力状态下典型行为:即 裂尖空隙形成、空隙 扩展及最终导致材料失效。文献 3 1 1 中将断裂准则引入有 限元微观模型中以 预测铝基复合材料在外在压力作用下的降格过程。铝基复合 材料的宏观变形裂纹预测与其微观组织相关，残余应力也必须加以考虑。 d .c r o s s 等人 认为r i c e a n d t r a c e y 准则 能够用于 预测表 面裂 纹的 产生 及定 位， 验证了k a c h a n o v方法可解决脆性材料在压缩条件下二维裂纹与裂纹的 交汇问 哈尔滨s业大学工学硕士学位论文 题以 及摩擦裂纹和外部压缩与应力集中 共同 作用下产生的直翼裂纹问 题3 2 -3 3 文献 3 4 中 作者通过试验研究了表面裂纹对内 部液压和外部轴向 液压的敏感 性，认为三种流动形式取决于裂纹表面相对于外部压缩的初始形态。w. c h e r 开发了一种装置用于陶瓷材料的多轴压缩试验，试验结果表明 mo h r - c o u l o m b 准 则 及j o h n s o n - h o lm q u is t 模 型与 试 验中 的 脆 性 行 为 相 符。 在高 压 下 陶 瓷 可 表 现出塑性状态，在变化的多轴压力下材料发生脆性断裂、脆性一 韧性断裂的转 变及塑性流动等行为。同时得出泊松比是震荡多轴压力下陶瓷材料发生脆性行 为的一个决定因素。泊松比小时，即使不是在轴向载荷下材料也会发生轴向脆 断的 脆性行为，泊松比 高时则可以 产生 超过弹性极限的塑性流动3 3 1 1 . 5 高压液体辅助成形工艺 静水压力对材料各方面性能的积极影响引起了人们的重视，一些利用液体 压力进行成形的工艺相继出现，如静液挤压、充液拉深和内高压成形等。 1 .5 . 1 静液挤压 静液挤压的工艺原理如图 1 - 1 1所示。 此方法是被挤压坯料置于周围充满 介质的、由 挤压杆、高压缸、坯锭、 模子组成的 封闭 体中，当 挤压杆受到施压 主机提供的动力后，开始在挤压缸中 运动。当压力介质的压力达到足以克服锭 坯材料的变形抗力及变形区中的摩擦力时，材料便从模孔中挤出形成所需形状 和尺寸的制品。 七 石 亥 : _ 食 图1 - 1 1 静 液 挤压原 理 13 6 1 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 静 液 挤 压 的 变 形 特 点 主 要 有 13 6 7 ( 1 ) ， 材料变形处于很高的 三向 压应力 状态，而材料的塑性随着压应力的增 强而增加。 ( 2 ) . 锭坯与挤压筒壁不直接接触， 无摩擦，因而材料的 变形非常均匀。 产 品 质量好。 制品的 机械性能 在断面上和长度上都很 均匀，而且强 度特性与 通常 挤压相似情况下，其塑性指标较高， 有利于脆性及多层复合材料的变形加工。 ( 3 ) . 由于锭坯在挤出前无普通挤压的徽粗阶段，不会出现徽粗时可能出现 的表面周向拉应力，因而不会出现裂纹。 通过对大量静液挤压制品的 研究表明，材料不仅在高压下塑性提高， 而且 在高压变形后，其制品具有较高的力学性能， 极限强度、屈服强度、塑性、 冲 击韧性、脆塑性转变温度、密度等都得到改善。 静液挤压的思想最初由 r o b e r ts o n提出，但是第一次对这种方法进行试验 的 是b r id g m a n , 然 后p u g h 和他的 同 事 们开 展了 研究 及发 展 工 作， 他 们 在1 9 6 4 年发明了反压力系统，能够阻止脆性材料在简单静液挤压时裂纹的产生。 从这 以后， 进一步的研究和试验在苏联科学院的高压试验室展开，同时美国和日 本 也进行了大量的研究。简单静液挤压的缺点是挤压速度不能控制，s l a t e r 和 g r e e n提出 扩展静液挤压的办法克服这一难题，这种工艺是在当液体压力未挤 压坯料前，在坯料的后部由一个固体活塞提供一个附加的力，从而使速度得到 控制， 然 而 坯料的长 度也 受到了限 制3 7 .3 4 文 献 4 0 3 的 作者采用一 种铝硅 合金以 不同 挤压比 进行静液挤压 试验。 结果 显示 共晶 铝 硅合 金中s i 成分 提高 ， 则 挤 压 力 相 应 提高 ， 此 外， 在同 样 挤压比 情况下，当s i 含量提高时，挤压压力明显提高。 张朝晖等人采用大变形弹塑性有限元理论，用a n s y s 5 .5软件对不同挤压 参数下钨合金静液挤压过程进行了 数值模拟研究， 得出了 挤压压力、试样内部 应力应 变场随 挤压参数的 变化规 律， 并与 光 刻网 格的 挤压结果 进行了比 较fa i l 他们还通过静态动态拉伸试验、大量的金属学试验及电子显微镜观察分析研究 了 9 3钨合金的微观组织性能和变形强化机理，指出 静液挤压后钨合金微观组 织明显变化，晶粒被沿轴向拉长，晶格被压缩成条柱状，从而使合金强化。变 形强化的因素之一是 钨颗粒随挤压比的 提高轴向 有效接触的 减少，另 一个变形 强化的因素是随着挤压比的提高钨颗粒及晶格中混合密度的增加以 及二次晶粒 的增多14 2 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 .5 .2 充液拉深 作为利用液体介质的成形工艺的一个例子，充液拉深在汽车工业中成为用 以大批量生产的成形工艺。其原理如图 1 - 1 2 。与传统的拉深相比，刚性凹模被 充满液体工作介质的软模代替。板料被密封固定在软模和压边圈之间，当冲头 向下运动时，板料在介质压力的抵抗下成形。充液拉深的特点是利用在凹模中 充以液体，凸模下行时压迫该液体产生压力将板坯紧紧地贴在凸模上，形成有 利于成形的 “ 摩擦保持效果” ;同时由于压力，液体可以从板料法兰与凹模之 间溢出，减少有害的摩擦阻力，形成 “ 溢流润滑效果” 。正是有了以上两种效 果，从而使板成形极限 得到极大的提高， 成形零件的 精度高， 表面质量好4 3 1 图1 - 1 2充 液拉深原理4 3 1 a . e l- d o m ia t y 和m . a . s h a b a r a 通 过 试验， 即 拉 深时， 在冲 头 运动的 反向 加上一个液体的压力，结果说明充液拉深的方法能够明显的提高板料的极限拉 伸比。对于绝大多数金属板材来说， 在一般情况下极限拉深比都不超过 2 .0 , 但是在充液拉深的 情况下，铝合金的极限拉深比可提高到 3 .5 ,钢材能提高到 2 . 8 6 。极限拉深比提高的原因在于液体的反向作用力使变形区的最小主应力趋 于 压 应力 ， 从 而 提高了 成 形 性4 4 1 英国学者 c .c o l l a d o等人对室温下铝基复合材料 ( mmc s )在各种不同条 件下的成形性能进行了研究，进行了 mmc s板材的充液拉深试验，试验中的 静水压力在2 0 m p a 到6 0 m p a 之间。结果表明在高的静水压力下，m m c s 材料 的 成 形 性 得 到 很 大 提 高 4 5 1 哈尔滨工业大学的康达昌教授等人通过实验研究表明，9 0 微温充液拉深 可以有效地提高 s u s 3 0 4不锈钢的成形极限，拉深比可山普通拉深的 2 . 0提高 到 3 .3 ，并可有效避免粘模等缺陷，残余应力降低，时效开裂的倾向减小。同 时对充液拉深工艺进行了系统的研究，对充液拉深的变形机理及各工艺参数之 间的相互关系进行了试验研究，利用有限元方法对充液拉深成形过程进行了模 哈尔滨s业大学工学硕士学位论文 拟，采用数学解析的方式得出液室液体溢流压力的计算公式以及溢流后流体在 板料法兰下表面的分布规律，并采用一定的方法与有限元分析通用软件包相结 合， 得 到 了 良 好的 分 析 结 果 4 6 .4 7 1 1 .5 .3内高压成形 过去数年内展开了对于内高压成形工艺的 研究。 这一工艺的原理在于利用 内部液压使中空的坯料成形，大多数情况下需要在轴向加载以进行补料，如图 1 - 1 3 。国外研究较早，目 前国内的研究也已兴起，然而，内高压成形的目的不 是为了 提高 成形极限， 主要是用于 管材和管状零件的 成形， 8 ,4 9 1 ( a ) 成形 过程 b ) 成形零 件 图1 - 1 3内 高 压成 形原理4 s 1 文 献f 5 0 1 对内 外均加压的 管材成形 进行研究， 通 过有限 元数值 模拟分析了 成形 过 程的 六个 参 数， 通 过表1 - 2 可以 看出 认为 双 面 高 压时 环向 应力a n 降 低， 最小主 应力u 3 绝对 值增大， 这是 作 者 认为 提高了 管材 成形 极限的 主 要原因。 表1 - 2区 域13 真实 应力及 真实 应变的比 较5 0 1 ( s s h p :单面内 高压， d s h p : 双面内 高压) t r u e s t r e s s a n d t r u e s t r a i n m e a s u r e s a t re g i o n b ( m e m b r a n e m e a s u r e s ) a ( m p a )a ; ( mp a )e h s s hp i ds hp 3 2 9 6 2 2 2- 3 3- 1 1 8; 1 .6 本课题研究目的及意义 环形零件在制造业中占 有一定比例， 研究高压条件下的环形件压缩可能为 哈尔滨工业大 学工学硕士学位论文 低塑性、高强度材料环形件制造提供一条新路。本研究希望通过在静液压力下 低塑性材料的圆环压 缩试验及数值模拟， 观察和分析影响其塑性变形行为及成 形极限的主要因素， 确定低塑性材料在静液压力环境中的成形性，总结静液压 力对低塑性材料成形极限影响的程度，为低塑性材料冷成形提供一定的依据。 圆环静液压缩原理如图 1 - 1 4所示，即通过模具在环形件的内外表面均施 加静液压力， 利用冲头压力使其高度减小、外径增大的过程。整个变形过程均 在稳定的静液压力支撑下进行。环件静液压缩与普通压缩的变形特点基本相 同，变形过程呈现出高度减小，外径增大，同时受摩擦条件及形状规格等因素 的 影响内 径表 现出 各 种不同 的 变形 模 式。 图1 - 1 4环件静液压 缩原理 在静液压力作用下，圆环内 部各点均受较强的三向 压应力状态，并使其平 均应力绝对值得到提高，通过这种方法，可以更加直观深入的分析静液压力对 低塑性材料成形极限的影响。 1 .7 课题主要研究内容 1以低塑性材料环形件成形为背景， 设计制造静液压力作用下环形件压缩 试验装置，要求实现1 0 0 mp a 液体压力密封，并可进行外径2 0 m m - 6 0 m m环形 件压缩和成形试验; 2 . 进行 7 0 7 5铝合金等低塑性材料环形件在静液压力作用下塑性变形的试 验研究，探讨提高低塑性材料塑性变形能力的途径和机理; 3 . 对 7 0 7 5铝合金圆环在静液压力作用下的 压缩变形过程进行数值模拟， 分析影响圆环变形方式的主要因素及静液压力在圆环压缩变形过程中所起的作 用: 4 . 7 0 7 5 铝合金圆环静液压缩过程应力应变分析。 哈尔 滨工业大学 工学硕士学位论文 第 2 章 圆环静液压缩过程的数值模拟 2 . 1 引言 塑性有限元法是模拟金属塑性加工过程非常有效的工具。通过数值模拟， 可以了解金属塑性成形的全过程，包括金属成形过程中各阶段材料变形的趋 势、材料内部的应力、应变、应变速率、 成形载荷及速度矢量场。 这对金属塑 性加工工艺设计、模具设计、金属毛坯设计、设备选择等具有重要意义。 本章采 用d e f o r m t m - 2 d有限 元 模 拟软 件， 对圆 环静液 压缩过程 进行了 数 值模拟，分析了静液压力、毛坯形状、摩擦因子等因素对圆环在平板间压缩变 形的影响规律。 2 .2 有限元模型 本 章 数 值 模 拟 所 采 用 的d e f o r m t m( d e s i g n e n v i r o n m e n t f o r f o r m in g ) 软件系 统是美国s f t c公司 ( s c i e n t i fi c f o r m i n g t e c h n o l o g i e s c o r p o r a t i o n ) 在 s . k o b a y a s h i 等人的 研究工作以 及由s . i . o h 等开发的a l p i d软件的 基础上开 发出来的，已在美国、日 本、德国等国的实际工业生产和科研中得到大量的成 功应用，并得到世界同行的公认。 采用 d e f o r m t m软件进行圆环压缩过程仿 真分析，可获得大量工艺设计所需要的信息，如:材料流动状况的跟踪;材料 流动引起的缺陷的预报;应变、应变速率和应力的分布;载荷与行程的关系 等。 该系统主要由三部分组成:前处理器、模拟器和后处理器。前处理器包括 模型数据准备模块和网格自 动生成模块。在前处理器中，可以 施加静液压力、 摩擦因子等实现边界条件、设置工件和模具的形状尺寸以及材料参数、确定模