（材料加工工程专业论文）典型金属高压扭转变形的有限元分析.pdf

独创性声明 y 1 黜炒8 8 i i ：i i j 百i 芝。 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 加i i 多沙 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 磋镐 导师( 签名) ：撕期矽只2 7 摘要 高压扭转法( m 叮) 是剧烈塑性变形( s p d ) 的加工方法之一，近年来受 到广泛关注，它能将金属材料的晶粒细化到纳米级，所加工的块体材料没有任 何残余孔隙，而且工件在产生巨大应力应变的情况下，其尺寸不会有很大变化。 但是，因为h p t 实验中，工件尺寸小，并且要求上模加载于工件的力很大，甚 至达到几个g p a ，同时要求工件与上下模接触面粗糙、摩擦系数大，因此，h p t 变形过程所需要的工艺参数条件，如上模的载荷、模具与工件之间的摩擦系数、 下模的扭转速度等，让实验的进行相对困难。因此，通过模拟分析总结出h p t 中在不同的工艺参数条件下工件的扭转情况，为后继的h p t 实验的参数设置提 供参考依据具有很重要的意义。 本文在p r o e 中建立h p t 变形的三维模型，导入模拟分析软件d e f o r m 中，并对不同的h p t 模型进行了分析比较，发现闭式的h p t 模型在本次模拟 中无法实现工件正常的高压扭转变形，不能顺利地对工件进行扭转。当采用半 封闭式的h p t 模型时工件能够实现在高压下进行扭转变形。当然，这种情况可 能与参数设置有关。 本文研究了几种典型金属材料的高压扭转变形( 皿t ) 情况。选取试样 的h p t 变形结果，分析了其在高压扭转中的的行为特征，包括工件所受扭矩、 应力应变分布规律、材料流动情况以及工件的扭转圈数等，并通过已有的对 灿的h p t 变形的实验研究验证了所做模拟的意义和正确性。 同时，通过对几种典型金属材料如a i 、4 5 # 钢、1 5 c r n i 6 、n i 在不同摩擦 系数、载荷等条件下工件的不同扭转情况，总结了这些工艺参数条件与工件扭 转圈数之间的关系，研究了这些典型金属材料在h p t 变形过程中，这些工艺参 数对工件扭转情况的影响，为后继的h p t 实验研究提供了理论依据和工艺参数 设置依据。 关键词：高压扭转( h p t ) ；有限元；扭转圈数；工艺参数 a b s t r a c t h i g hp r e s s u r et o r s i o ni so n eo ft h es e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o nm e t h o d sw h i c h h a sb e e nr e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s t h em a t e r i a lg r a i ns i z eo ft h e s a m p l ec a nb er e f i n e dt on a n o m e t e ra n dt h eb u l km a t e r i a lb e e np r o c e s s e dh a sn o r e s i d u a lp o r e t h e r ew i l lb en og r e a tc h a n g e so ft h es i z eo ft h es a m p l ea f t e rah u g e p i e c eo ft h es t r e s sa n ds t r a i ni ni - i p t h o w e v e r , t h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so fh p t s u c ha st h el o a do ft h ed i e ，t h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n tb e t w e e nt h es a m p l ea n dd i e s ，a n d t h er e v e r s es p e e do ft h el o w e rd i em a k ed i f f i c u l t yt ot h eh p te x p e r i m e n t s ，b e c a u s e o ft h es m a l ls i z eo ft h es a m p l e ，t h eg r e a tl o a do ft h ed i ea n dt h eh i 曲f r i c t i o n c o e f f i c i e n t t h e r e f o r e ，t or e s e a r c ht h ei n f l u e n c e so ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r so nt h e t o r s i o no ft h es a m p l ei s v e r yi m p o r t a n tf o rt h ep a r a m e t e rs e t t i n g s o fi - i p t e x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r , t h r e e d i m e n s i o n a lo fh p ti sc r e a t e di np r o ea n dt h e ni m p o r t e d t ot h es i m u l a t i o ns o f t w a r ec a l l e dd e f o r m - 3 d t h r o u g ht h ea n a l y s i st od i f f e r e n th p t m o d e l s ，i tc a n b es e e nt h a tt h ec l o s e di - i p tm o d e lc a l ln o ta c h i e v et h en o m a lh i 曲 p r e e s u r et o r s i o ni n t h i sr e s e a r c hw h e nt h es e m i c l o s e dh p tm o d e lc a n b u tm a y b e i t sr e l a t e dt ot h ep a r a m e t e rs e t t i n g s i nt h i sp a p e r ，t h eh i g hp r e s s u r et o r s i o nd e f o r m a t i o np r o c e s so fs e v e r a lt y p i c a l m e t a l l i cm a t e r i a l sa r er e s e a r c h e d t h ea is a m p l ei sc h o o s e dt ob ea n a l y s e dt h e b e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i c si ni - i p t ，i n c l u d et h et o r q u eo ft h es a m p l e ，t h ed i s t r i b u t i o n o ft h es t r a i na n ds t r e s s ，t h em a t e r i a lf l o wa n dt h en u m b e ro ft h et u r n sa n ds oo n t h e nt h e s i g n i f i c a n c ea n d c o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o n sa r e v e r i f i e dt h r o u g h e x i s t i n gh p td e f o r m a t i o ne x p e r i m e n t a ls t u d y a tt h es a m et i m e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en u m b e ro ft a m so ft h es a m p l e a n dt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r si nt h eh p tp r o c e s sa r es u m m a r i z e d t h r o u g ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h et y p i c a lm e t a lm a t e r i a l ss u c ha sa 1 ，4 5s t e e l ，15 c r n i 6a n d n ii nd i f f e r e n tf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dl o a dc o n d i t i o n si nt h eh p tp r o c e s s t h e i n f l u e n c e so ft h e s et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r st ot h et o r s i o no ft y p i c a lm e t a lm a t e r i a l s n i nh p tp r o c e s sa l er e s e a r c h e d ，w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r ss e t t i n gb a s i s k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r et o r s i o n ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ，t o r s i o nt u r n s ， t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 - 1 课题背景和意义1 1 2 国内外高压扭转的发展现状1 1 2 1国外高压扭转的发展现状1 1 2 2国内高压扭转的研究现状。3 数值模拟技术研究与应用现状3 本文研究方法和内容4 本章小结4 h p t 变形中的数值分析理论及软件介绍6 j ；l 言：6 塑性成形过程研究方法7 d e f o r m 软件介绍8 h p t 变形中的数值分析8 本章小结9 高压扭转成形技术概述l o 剧烈塑性变形技术( s p d ) 1 0 高压扭转成形技术基本原理1 l 3 2 1h p t 变形中的应变1 2 3 2 2h p t 模型。1 3 3 2 3h p t 试样的均匀性变化1 4 h p t 加工金属材料的原理1 5 3 3 1 通过高压扭转加工金属材料的研究1 5 3 3 2 用高分辨电镜观测显微结构1 6 3 4 通过h p t 获得最小晶粒尺寸1 6 3 6 本章小结。1 6 第4 章高压扭转的有限元分析18 4 1 有限元模型建立1 8 4 2 高压扭转的有限元分析1 8 4 2 1 限定型高压扭转变形分析1 9 4 2 2 半限定型高压扭转变形分析2 0 4 3 灿试样在h p t 中的实验验证2 6 4 4 本章小结2 7 第5 章典型金属的高压扭转变形规律。2 9 5 1 舢的高压扭转变形规律2 9 i v 3 4 5 0 1 2 3 4 5 ：l 2：2章舶勉”弘”章弘弛 2 3 第 第 5 1 1 载荷对a l 高压扭转变形的影响。2 9 5 1 2 摩擦系数对砧高压扭转变形的影响3 2 5 24 5 # 钢的高压扭转变形规律。3 3 5 2 1 载荷对4 5 # 钢高压扭转变形的影响3 3 5 2 2 摩擦系数对4 5 斓高压扭转变形的影响3 4 5 3 1 5 c r n i 6 的高压扭转变形规律3 5 5 3 1 载荷对1 5 c r n i 6 的h p t 变形影响规律。3 5 5 3 2 摩擦系数对1 5 c r n i 6 的h p t 变形影响规律3 6 5 4n i 的高压扭转变形规律3 7 5 4 1 载荷对n i 的h p t 变形影响规律3 7 5 4 2 摩擦系数对n i 的h p t 变形影响规律3 8 5 5 本章小结。3 9 第6 章全文总结与展望4 0 6 1 全文总结4 0 6 2 研究展望4 1 参考文献4 2 j 目i 谢：z 1 5 作者攻读硕士学位期间研究成果4 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 随着现代工业及航空业的迅速发展，对工程材料的性能要求越来越高，为 此，高强度、高耐磨性、高耐腐蚀性的新型材料成为材料学研究的热点。纳米 材料由于其具有比常规粗晶材料更高的强度和更好的耐磨性能而越来越受到重 视，尤其是块体纳米材料，因为它能更好地满足工业结构件的使用要求，从而 在金属纳米材料研究领域得到重视。 近年来，通过剧烈塑性变形( s p d ) 生产块体材料受到人们广泛关注，并得 到大力发展。与传统的加工方法相比，剧烈塑性变形方法具有如此大的吸引力 是因为它能将金属材料的晶粒细化到纳米级并且所加工的块体材料没有任何残 余孔隙，且工件在产生巨大应力应变变化的情况下，其最大尺寸不会有很大变 化。因此，相对于传统金属加工方法例如轧、辊、挤出等，剧烈塑性变形是一 种非常不同，且非常重要的新型加工方法。 剧烈塑性变形的加工方法有很多，但是最受关注的还是等通道转角挤压 ( e c a p ) 和高压扭转( 知p t ) 这两种方法各不相同，但是都能将晶粒细化到至 少亚微米级。 本课题主要是对影响高压扭转中试样内部晶粒细化的几个关键问题进行分 析，研究高压扭转中的各个参数，如对上模施加的载荷、下模的扭转速度，上 下模与工件直径的摩擦系数等工艺参数对高压扭转中试样变形程度的影响规 律。 探索金属所受压力、扭转圈数、摩擦系数等对高压扭转变形的影响规律， 为今后高压扭转实验研究提供参数设置的参考依据，进而为发展大尺寸金属高 压扭转成形技术奠定基础。 通过本课题的研究，找出高压扭转中各个工艺参数对金属试样变形程度的 影响规律，从而为后期实验研究提供工艺参数设置依据，通过模拟分析高压扭 转变形过程中试样的应力应变变化规律，进一步完善高压扭转变形理论。 1 2 国内外高压扭转的发展现状 1 2 1国外高压扭转的发展现状 武汉理工大学硕士学位论文 前苏联学者oaf a h a r o 1 】等人于2 0 世纪5 0 年代末首先提出并进行实验、理 论研究，而后逐步应用于实际生产中的。苏联学者在y n m 3 0 t 万能材料试验机 上对高压扭转复合加载成形方法进行了实验研究。到2 0 世纪9 0 年代，这种方 法被rzv a l i e v 2 】等人改进并用于研究材料大变形下的相变以及大的塑性变形后 组织结构的变化。他们发现经过高压下的扭转变形后，材料内部形成了大角度 晶界的均匀纳米结构，材料的性能也发生了质的变化。这一成果使高压扭转成 为制备块体纳米材料的一种新方法，且被认为是最有希望实现工业化生产的有 效途径之一f 3 ，4 1 。这些早期的实验研究为高压扭转在力学、晶粒细化原理等方面 奠定了重要的基础。 随后，国外学者对c u ，n i ，t i ，a i 等及其合金进行了许多高压扭转强塑性变 形的实验研究。b b s t r a u m a l 5 j 等对直径9 m m 、厚度0 3 m m 的a 1 - z n 和a 1 m g 合金试样进行高压扭转，在3 0 0 s 内对其加压5 g p a ，扭转5 圈，结果显示能将晶 粒细化到1 0 0 n m 以下。a v o r h a u e r1 6 】等采用限定式高压扭转，对6 组直径为8 m m 的奥氏体钢( 1 5 w t c r , 2 5 w t n i ) 施加p - - 5 3 g p a 的压力，而扭转的圈数n 分别 为o 1 7 ，0 5 7 ，2 。2 7 ，4 5 ，8 ，1 6 。结果显示，利用所设计的高压扭转装置进行 实验后，即试样扭转达到1 6 圈，中心区域和外围区域在微观结构和微硬度上仍 然存在不均匀性，但是随着扭转圈数的增加，变形小的区域越来越少，且中心 区域硬度低，越靠近外围区域，硬度越高。i s a b i r o vr 7 】等人对直径8 m m 、厚度 o 8 m m 的w 一2 5 c u 试样进行高压扭转实验，使其分别在室温、2 0 0 、4 0 0 条件下达到一定等效应变值。结果显示，当应变值较小时，变形是很不均匀的， 但当应变值达到2 5 6 k 以上时，微观结构显示非常均匀，晶粒细化到1 0 2 0 n m 。 当温度升高时，晶粒有增大的趋势。s e r g e yv d o b a t k i n 【8 】等人对a 1 2 0 2 4 进行高 压扭转实验，在2 9 3 k 和6 7 3 k 温度下分别将晶粒细化到0 1 5 i - t m 和- - - 0 3 肛m ， 这两种情况下都能使材料获得一定的超塑性，但6 7 3 k 下材料的延展性更好；离 中心越远的部位，延展性越好、变形也更均匀。t h e b e s b e r g e r 【9 】等人对直径8 m m 、 高度0 8 m m 的纯铜试样在室温下进行高压扭转，分别施加0 8 、2 、8 g p a 的压力， 扭转一定圈数，对其微观结构进行研究，表明随着应变增大晶粒尺寸减小，最 后达到稳定。c h e n gx u 1 0 】等人对砧合金在室温下加压4 g p a ，扭转5 圈后试样 边缘晶粒细化至u - 6 0 n m ，且当温度升高到7 0 3 k 时，经高压扭转的试样具有良 好的超塑性。m p e t e r l e c h n e r l l l 】等通过高压扭转对n i t i 形记忆合金进行纳米化从 而提高材料性能。y u k ii t o 1 2 】对纯触做试样，加压1 g p a ，旋转一定圈数后发现， 2 武汉理工大学硕士学位论文 纯a l 的晶粒细化是随着显微结构变化的，位错的吸收在高角度晶界处，由于位 错之间的平衡建立一个稳定的状态。 1 2 2 国内高压扭转的研究现状 随着实验条件的日渐成熟，国内的专家学者也对高压扭转展开了各方面的 研究和实验。中国科学院的谢子令等【1 3 】通过高压扭转对铜试样施加不同程度的 变形，研究了样品扭转面( n d 面) 和纵截面( t d 面) 上微观组织特征，晶粒尺寸由 4 31 1m 细化到了3 0 0 n m 以下，且铜试样的屈服强度提高了7 倍，应变硬化能力 基本消失。上官丰收【1 4 】等采用h p t 也对纯铜进行试验，观察试样与砧头之间的 相对滑动，表明试样厚度变化小于5 时，试样端面与模具之间不发生相对滑动， 并通过量纲分析得出切应变与厚度、直径、压力、材料、弹性模量以及模具侧 面的摩擦状况相关。李金国【1 5 】等对纯f e 在高压扭转过程的组织和硬度变化进行 了研究，结果显示，纯铁的硬度随转数的增加而显著提高，且晶粒逐渐变细。 随着计算机技术的发展，国内外学者逐渐将有限元分析应用到高压扭转研 究中。s e u n gc h a ey o o n 1 6 】等通过有限元软件模拟直径2 0 m m ，直径10 m m 的试 样在2 0 0 n 的压力，下模扭转速度l r a d s 条件下高压扭转的变形过程，观察了试 样的等效应变和扭矩变化，得出绕轴的不均匀变形比放射状的不均匀变形对研 究高压扭转更有意义。h y o u n gs e o pk i m 1 。7 1 利用a b q u s 对直径1 0 m m 、厚度 0 7 m m 的c u 试样在5 g p a 的压力、下模转速0 0 1 2 r a d s 条件下进行高压扭转模 拟，观察试样变形情况，发现由于试样中心受更大的压应力影响，试样厚度随 着到中心距离的减少而变薄，且到中心距离越近，圆周位移越小。此外还有合 肥工业大学的薛克刨1 8 】等人，采用非线性有限元软件对扭压成形过程进行了数 值模拟，初步分析了摩擦、载荷复合方式等对扭压成形过程的影响，并与一般 镦粗时的有限元模拟结果进行了比较，与镦粗相比，扭压成形有效地发挥了剪 切应力作用，使变形体的总变形程度显著增大且变形仍趋于均匀，这对于破碎 毛坯的初始铸态组织、焊合内部孔洞及获得亚细晶材料、纳米材料有重要意义。 1 3 数值模拟技术研究与应用现状 塑性成形的数值模拟方法主要基于上限法、边界元法和有限元法。由于大 变形的体积成形及板料成形的变形过程是非稳态的，因此工件的形状、边界和 材料性质都有较大变化。通过实验和理论相结合的方法可以得出有限元法的参 3 武汉理工大学硕士学位论文 数关系，如本构关系、边界条件、摩擦关系式。基于变分原理推导出的场方程 以及离散技术建立的计算模型，可计算数值模拟复杂成形问题。通过分析数值 模拟过程中的应力应变变化规律，可以得到较为真实的成型工艺参数。因此数 值模拟技术为当前国际上成形技术最为前沿的研究课题【1 9 1 。 本世纪以来，飞速发展的计算机软、硬件以及深入研究的材料成形规律对 材料成形计算机数值模拟技术起到了巨大的推动作用。基于数值计算得到的微 分方程边值问题，计算机数值模拟可以得到具体材料成形问题中相关未知量， 如工件与模具的速度场、应以应变场、温度场。据此，判断工件中组织性能的 变化以及尽可能出现的缺陷，然后将这些分析结果通过计算机图形技术，以动 态的、直观的呈现研究者面前，使得他们能够了解检验材料在虚拟加工过程中 形状及性能的变化，继而判断是否满足要求以及优化相关参数。因此采用计算 机模拟技术，可在模具制造及工件生产前、工艺设计及模具设计初步完成后寻 求可行甚至最优的设计、工艺方案。至此，可实现产品设计、工装模具设计等 相关工作同时展开，提高了生产效率，节约了生产成本。计算机数值模拟技术 不仅丰富了塑性成形机理的研究手段以及改善了试验环境，而且更为重要的是 缩短了产品研发周期以及提高了产品质量。为此，数值模拟技术是提高企业竞 争力的最佳途径，这也是当今计算机数值模拟技术突飞猛进发展的重要原因【1 9 1 。 1 4 本文研究方法和内容 目前国内外对高压扭转的研究大多是通过对不同材料的小尺寸试样进行实 验，然后对实验后试样的应力及应变进行分析，并通过电子显微镜观察高压扭 转实验后试样的微观组织变化和晶粒形貌。实验中的工艺参数设置主要是凭借 经验或者通过不断试验得到，本文采用有限元分析方法对h p t 的成型过程进行 模拟，并对变形后的试样的应力应变以及微观组织进行分析。通过控制变量法， 总结了在一定压力、扭转速度等条件下，不同摩擦系数条件导致工件的扭转圈 数的不同；以及在一定扭转速度、摩擦条件下，对上模加载的不同载荷引起的 试样扭转圈数的变化规律。 1 5 本章小结 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 本章明确了本课题的来源和研究目的。论述了高压扭转致金属材料晶粒细化 以获得纳米级材料的意义以及现状。 ( 2 ) 确定了本文的研究重点和研究内容。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章h p t 变形中的数值分析理论及软件介绍 2 1引言 由于计算机科学的飞速发展，以及对材料成形规律日益深入的研究，近十 几年来，计算机数值模拟技术在材料成形过程的运用取得了很大的进展。计算 机数值模拟是指在具体材料成形问题中，通过数值计算的方法利用微分方程边 值问题条件，如工件和模具的速度场( 或位移场) 、应变场、应力场、温度场等 未知量，来推测工件中组织性能的变化以及可能出现的缺陷，并利用计算机图 形技术将这些分析结果直观的、动态的呈现，使研究人员能通过虚拟的材料加 工过程来了解以及检验材料的最终尺寸和性能是否满足设计要求，最终达到优 化改进工艺方案的目的。利用计算机数值模拟技术，可以在材料成形工艺设计 和模具设计初步完成后立即进行检验，检测其是否为最优设计方案，然后根据 模拟结果完成详细设计然后进行模具制造。因此，在进行新产品开发时，就可 以同时展开产品设计、工装模具设计和制造等相关工作，即实现并行工程和虚 拟制造【1 9 1 。 数值模拟可以提高产品质量，改进制造工艺，是提高企业竞争力的有效途 径。它丰富了塑性成形机理的研究手段，改善了工程师的试验环境，缩短了产 品研发周期，节省了试验费用，使得塑性成形技术向智能化方向发展，实现了 成形过程的可控性。截止到目前，在世界各国大力发展数值模拟技术形势下， 己经出现了很多材料成形数值模拟软件，著名的有：p a m s t a n i p ，m a r c ， e a s t o r m ，d e f o r m ，q f o r m ，a u t o f o r g e ，s u p e r o r g e ，等等。国内 也有单位研制开发模拟软件，如北京机电研究所的m a f a p 2 d 等，但功能和国 外产品相比，还有一定差距。金属塑性成形中数值模拟主要包含两种分析方法： 一类是近似的解析计算方法，包括主应力法、滑移线法、界限法( 上限法与下限 法) 、功平衡法等：另一类是数值方法，包括有限差分法、有限元法和边界元法。 目前，有限元法是金属塑性成形过程模拟的最流行的方法，是进行非线性分析 的最强有力的工具【2 0 1 。 有限元法在金属塑性成形方面的应用大致可以分为四类，即小变形弹塑性 有限元法、大变形弹塑性有限元法、刚塑性有限元法与刚粘塑性有限元法。小 变形弹塑性有限元法与大变形弹塑性有限元法同时考虑弹性变形与塑性变形， 6 武汉理工大学硕士学位论文 而刚塑性有限元与刚粘塑性有限元法只考虑塑性变形，忽略弹性变形。体积成 形和板料成形是金属塑性成形的两个部分。圆柱直齿轮挤压成形属于体积成形。 在成形过程中，金属材料产生较大塑性变形，弹性变形相对极少，运用刚塑性 或刚粘塑性有限元法进行求解，其精度令人满意。在体积成形中，金属在高温 或在常温条件下，某些应变速率敏感的材料表现出材料粘性，对材料塑性变形 规律有较大影响，此时可用刚粘塑性有限元法模拟；相反，材料对应变速率不 敏感，则采用刚塑性有限元法模拟【2 1 1 。 2 2 塑性成形过程研究方法 金属塑性成形过程是一个复杂的变形过程，这一变形过程的主要影响因素 有材料特性、变形速度、温度、摩擦条件、坯料形状和尺寸以及模具的形状等。 塑性成形研究的主要对象也就是这些因素及其作用。金属塑性的成形过程中， 主要是结合金属材料的特性，分析和研究应力应变的分布情况以及不同的因素 对成形过程的影响。例如通过研究坯料形状和尺寸、模具入口处的形状和尺寸 对成形过程的影响，进而得到金属塑性成形的规律。通过制定最佳的工艺参数， 高效低耗地实现成形过程，来解决塑性加工过程中出现的各种实际问题，为获 得优质的产品而提供科学的依据【2 2 1 。 研究金属塑性成形过程的方法大致有三类。第一类方法是基于经典塑性理 论的解析方法，主要有：数学解析法精确的建立并求解的方法；主应力法 将平衡方程、塑性条件简化后联立求解的方法；滑移线法针对平面问 题提出的方法；能量法和上限法一基于能量守恒原理的方法。第二类是实验 力学研究方法，它是建立在实测数据基础之上的，其中以网格法、密栅云纹法 较为常用。第三类是数值分析方法，它是伴随着塑性理论的发展和计算机普及 应用而产生且快速发展的方法，其中典型方法有：有限元法( f e m ) 、有限差分法 ( f d m ) 、上限元法( u b f t ) 和边界元法( b f m ) 等【2 2 1 。 对比分析以上三类研究方法，我们可以发现：第一类方法即解析方法( 包 括主应力法、滑移线法、上限法等) 最突出的优点在于，它能给出在金属塑性 成形过程中各种影响因素相互之间的关系，从而有利于进一步分析成形极限和 优化工艺参数，从全局来把握金属成形规律。然而，采用纯数学理论的解析方 法，只能求出某些特殊的平面问题和轴对称问题的精确解析解；对于大多数平 面问题以及轴对称问题，只有根据实际情况附加一些假设条件和进行大量简化 7 武汉理工大学硕士学位论文 模型，才能得到近似的解析解；对于复杂的三维问题，应用此类方法十分困难， 甚至无法求出其解析解【2 2 】。 塑性有限元法分为两类：一类是包括刚塑性有限元与刚粘塑性有限元的流 动型塑性有限元法。另一类是包括弹塑性有限元与弹粘塑性有限元的固体型塑 性有限元。弹塑性有限元能有效处理卸载问题，计算残余应变和残余应力，常 用于工程承载问题的分析。但工作量大，数学处理比较复杂。刚塑性有限元由 于简化了有限元计算列式，使计算过程大为简化，计算效率较高，因此常常用 于大变形金属塑性加工过程的模拟【2 3 】。 2 3d e f o r m 软件介绍 材料成形c a e 是利用计算机技术，通过数值解法计算得到的用微分方程和 边值问题来描述材料成形问题中的状态变量。数值解法中应用较广泛的方法为 有限元法。材料成形c a e 中常用的软件有d y n a f o r m 、m o l d f l o w 和 d e f o r m 等，分别用于板料冲压、注塑成形和体积成形过程的模拟与设计【2 4 1 。 本文中是利用d e f o r m 3 d 软件来对h p t 变形进行模拟分析的。d e f o r m 软件是基于工艺过程模拟的有限元系统，可用于分析各种塑性体积成形过程中 的金属流动以及应变、应力、温度等物理场的分布，提供材料流动、模具充填、 成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成、韧性破裂和金属微结构等信息， 并提供模具仿真及其他相关的工艺分析数据。d e f o r m 不同于一般的有限元程 序，它是专门为金属成形而设计的，具有很好的图形界面，用户可以方便地进 行数据的准备和分析。同时，d e f o r m 特意为大变形的问题设计了全自动的和 优化的再划分网格系统【2 4 】。 此外，d e f o r m 软件还能被用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之 间复杂的相互作用，各种现象直接的耦合关系，包括升温、加热软化、相变控 制温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影响以及含碳量对各 种材料属性产生的影响等等【2 4 】。 2 4 h p t 变形中的数值分析 扭压变形的受力状态、变形特点不同于一般辙粗，它是在变形中沿坯料高 度方向施加压力，同时沿坯料横截面方向施加扭矩的变形工艺。圆柱体扭压变 8 武汉理工大学硕士学位论文 形的应力、应变和位移，有着同一般镦粗的特点都和扭转角无关，但是也 有其特殊性环向位移不为零；因此，在分析圆柱体扭压变形时，无法采用 环形单元进行二维计算，必须采用三维模拟。然而，三维有限元分析也有其不 足之处：待求解未知数多，计算时需要占用内存大，耗费机时长。采用柱面坐 标系研究圆柱扭转变形问题是比较合理的方法，它能让空间立体问题转变成空 间平面问题，这样，需要求解的未知量也大大减少了【2 别。 2 5 本章小结 ( 1 ) 本章简单介绍了金属塑性成形原理，以及塑性成形过程的研究方法，即经典 塑性理论的解析方法、实验力学研究方法和数值分析方法。其中数值分析方法 近年来得到了广泛的应用。 ( 2 ) 数值分析方法中应用较广泛的当属有限元分析法，本文采用有限元分析软件 d e f o r m - 3 d 来对h p t 变形进行模拟仿真分析。本章简单介绍了d e f o r m 软件的模 块结构、主要功能以及应用等。 ( 3 ) 简单介绍了对圆柱体坯料进行扭压变形的数值分析，通过采用直角坐标系求 速度和速度增量得到柱面坐标系下的速度、应变速率、应力变量，从而将空间 立体问题转变成空间平面问题。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章高压扭转成形技术概述 3 1 剧烈塑性变形技术( s p d ) 众所周知，多晶材料的晶粒尺寸在许多关键的性能上，包括强度和耐塑性 等，扮演着重要的角色。一般来说，材料的晶粒尺寸小相对那些晶粒粗大的较 有优势，因为它们有更高的强度和良好的性能，包括相对高的温度条件下，一 种超塑性成形的潜在可能性。这些重要性在几年前就得到了重视，并因此产生 了纳米晶材料的理念。 s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ( s p d ) 是一种大塑性变形技术，该技术具有强烈 的细化晶粒的能力，有时甚至可以将晶体加工成非晶体。剧烈塑性变形工艺 ( s p d ) 是在外力的作用下，通过特制的模具对试样进行变形，使一般粗晶材料 内部发生大塑性变形，主要是材料内部的剪切变形，从而达到使材料内部晶粒 细化、改善材料性能的目的。通过查阅文献，上世纪9 0 年代初，俄罗斯u f a 州 立大学的高等材料研究所的r z v a l i e v l 2 6 】组织了一支研究小组，开始研究等通道 转角挤压法( e c a p ) 和高压扭转法( 加) t ) 两种s p d 工艺，用来制备纳米级晶 粒的金属材料。同时得出，要满足s p d 工艺必须存在多项条件，这些条件主要 有以下几个：变形温度相对低；大塑性变形量；变形体内要能够承受较大的高 压等等。在这些原则的指导下，各国学者开发出了越来越多的s p d 工艺方法， 见表3 1 【2 7 1 。通过一系列的研究发现，高压扭转法( h p t ) 是最符合v a l i e v 提出 来的工艺原则的，其细化晶粒的能力最强。板条马氏体冷轧法( m s c r ) 采用板 条马氏体、下贝氏体或粒状贝氏体等过饱和固溶体作为初始组织，经过相对压 下量9 3 的冷轧和低温再结晶退火后，制得平均晶粒尺寸小于5 0 n m 的低合金钢 板。在加工变形抗力较大的材料时，开始普遍采用低温加热。这些研究进展促 使了s p d 技术开始广泛应用于制备块体纳米晶材料，如有色金属、黑色金属、 合金、半导体材料、复合材料等。这些u f g 和n c 材料是由块体粗晶材料经过 不同的s p d 工艺手段制备而来的。虽然这些工艺方法的晶粒细化机制各有不同， 但是，经过各种显微分析手段发现，这类材料具有界面清洁、结构致密的特点。 所以通过s p d 制备的块体纳米级材料不仅可以为科学研究提供性能稳定的大尺 寸试样，而且可以直接制成商用的结构件【2 刀。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 1 制备块体纳米超细晶材料的s p d 工艺方法【2 7 】 3 2 高压扭转成形技术基本原理 。前面已经介绍过，高压扭转法( 印) t ) 是大塑性变形法的重要方法之一，尽 管这种加工方法的基本原则产生在6 0 多年前，但2 0 年前才开始引起科学界的 兴趣。而且，在最近5 年才开始大量出现关于h p t 方法制造超细晶材料的科学 文献报道。材料通过高压扭转处理的过程之所以特别有吸引力，因为它通常可 以产生非常小的晶粒尺寸，往往能达到亚微米级或纳米级，并且在很大一部分 边界上有较高角度的晶界，从而使材料具有一些良好的性能，包括强度高，耐 疲劳性能好的和在特殊的条件下形成的超塑性等。因此，这些新型加工方法具 有强大的吸引力，通过这些加工方法制造出的产品材料的使用范围从医疗植入 物的应用，到体育设施、器材及汽车零件和航天领域，具有非常广泛的应用价 值。 高压扭转的原理示意图如图3 1 f 2 引，该装置最先是由b r i g c m a n 提出，图中 上下两端模块固定，试样受到纵向的压力，中间模块相对两端旋转，此时，上 下两块试样就受到了压力和扭矩的同时作用，试样因此产生压扭变形。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 ， l | l l 上下两端固定 i | | 、 楣对上下两端 模块旋转 图3 - 1b r i g e m a n 提出的压扭变形一般原理装置图 3 2 1h p t 变形中的应变 h p t 研究领域的第二个飞跃是在2 0 世纪8 0 年代，俄罗斯金属物理研究所 对许多不同的金属材料进行了h p t 剧烈塑性变形试验研究，发现试样的真实应 变占可通过下式计算得到2 9 】： s = 域1 + 等2 2 ) 1 2 ( 3 1 ) 其中c o 是工件的扭转角，是工件的半径， 是工件的厚度。当缈r h 1 且 p = 2 n n 时，其中n 是加在试样上的扭转圈数，此时3 1 式可变为如下【2 9 】： 占：l n ( 书：k 毕 ( 3 - 2 ) 疗力 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 这一关系后来被广泛应用于h p t 的各种研究中，不论是在俄罗斯还是西方 英文文献中。例如，扭压变形中c r - n i 合金的相变研究以及铜、镍等在扭压变形 中的微观组织均匀性的演变研究等。 随着研究的深入，现代i - i p t 装置通过改装，将试样置于上、下模块之间， 使试样受到轴向的数g p a 的压力作用，同时，通过下模的扭转受到扭转应变。 试样与模块之间的摩擦力带动试样扭转，使工件在一个准净水压力下，在剪切 力作用下产生扭转变形。无限小的扭转角硼和位移刃，见图3 2 p 们，显然， d l = g o d o ，为盘状试样的直径，增加的剪切应变却可通过下式计算得到，其 中 为盘状试样的原始高度【3 0 】： d g = 一d l ：坐 ( 3 3 ) 图3 2h p t 中估算总应变的参数 如果假设高度五是独立于扭转角口之外的，且口= 2 z r n ，则剪切应变y 可以 通过下式得到【3 0 】： 7 ：2 7 r _ n o r ( 3 4 ) 以 其中为试样扭转的圈数。 从而在实践中，这些公式为我们提供了估算h p t 中加载在试样上总的应变 的方法。 3 2 2h p t 模型 武汉理工大学硕士学位论文 在3 1 2 节中已经介绍了高压扭转的原理示意图，但h p t 在实践中有两种不 同的加工方法，分别是非限定型高压扭转和限定型高压扭转，见图3 - 3 3 1 】。在非 限定型高压扭转中，将试样置于下模上，对试样施加一定的压力，同时施加扭 矩，如图3 3 ( a ) 1 3 1 】。在这些条件下，试样的材料在压力下自由流动，只有很 少一部分由试样与上下模的摩擦力产生的背压力。 在限定型高压扭转中，如图3 3