管狀材料的高壓切變實驗研究 文獻綜述.doc

1、-范文最新推薦- 管狀材料的高壓切變實驗研究+文獻綜述 本論文對近年來SPD技術的國內(nèi)外研究進展進行了總結，介紹了SPD方法需滿足的條件，并指出了現(xiàn)有的部分SPD工藝的優(yōu)點和不足。并對本課題組提出的SPD新工藝進行了原理描述，并利用現(xiàn)有設備，采用純鋁、純銅以及AZ31鎂合金等材料進行了新工藝的初步實驗探索。實驗結果表明：t-HPS方法能夠實現(xiàn)管狀材料切向的剪切變形，應變沿徑向呈梯度分布，外管壁處得應變量最小，向內(nèi)壁遞增；利用劈尖原理實現(xiàn)t-HPS方法時，采用端部無約束設計始終無法避免打滑；采用端部半約束設計能有效避免打滑，但在管材端部存在變形死區(qū)。此外，本畢業(yè)設計對新工藝的模具進行了優(yōu)化設計，

2、以滿足這種新的變形模式（管狀試樣沿切向發(fā)生剪切變形）以及高壓實驗條件下對模具的力學性能要求。6476關鍵詞劇烈塑性變形 靜水壓力 管材高壓剪切 模具設計畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要Titlethe Experimental Study of Tube High Pressure ShearingAbstractThe repot summarizes SPD research advances in recent years, and introduces the conditions to be met by the SPD method, and points out the stren

3、gths and weaknesses of the existing part of the SPD process. And the new SPD process of our group, the use of existing equipment, the experiments of the new process on pure aluminum, pure copper and AZ31 magnesium alloys and other materials by existing equipment to carry out preliminary experiments

4、to explore the new technology is described. The experimental results show that: t-HPS method achieve the tangential shear deformation of the tube sample, strain gradient distribution along the radial direction of the tube wall was variable, slope up from the outer wall to the inner wall. For the wed

5、ge principle t-HPS method, the non-confinement design has never been able to avoid slipping; using partial-confinement design can effectively avoid skidding, but exists deformation dead zone in the tube ends. The mold of the new process also has been optimized to meet this new mode of deformation (t

6、angential shear deformation of tubular specimens) and the mechanical properties of the mold requirements in high-pressure experimental conditions. 納米組織應是主要含有大角度晶界顆粒型的超細晶組織，因此采用SPD 法制備大體積超細晶材料必須滿足以下要求4：1）能夠在材料內(nèi)部獲得具有大角度晶界的超細晶結構。只有這樣，材料的性能才能出現(xiàn)質的變化。2）整個試樣中的超細晶結構應該是均勻的，這是獲得穩(wěn)定性能的必要條件。3）試樣雖然經(jīng)歷了劇烈的塑性變形，但是試樣

7、不應有機械損傷或裂紋。1.2SPD技術需滿足的條件俄羅斯Ufa航空技術大學的R.Z. Valiev領導的研究小組認為，采用SPD方法制備超細晶材料應滿足多項條件，其中主要有：相對低的變形溫度；大塑性變形量；變形體內(nèi)承受高壓。在這一原則的指導下越來越多的SPD工藝方法5。絕大多數(shù)研究表明，靜水壓力對材料的塑性變形是有利的。靜水壓力使晶間變形困難：靜水壓力能夠強化晶界，約束晶界運動，使晶間變形困難，有效避免或者減少了由于晶界滑移和晶粒轉動造成晶間聯(lián)系被破壞而開裂的現(xiàn)象，從而使得材料的塑性變形能夠更加充分地進行6。靜水壓力有利于微裂紋等材料損傷的愈合7：要使微觀缺陷愈合，必須在施加靜水壓力的同時，對

8、材料進行塑性變形。塑性變形的目的是使一部分金屬相對另一部分發(fā)生劇烈的位移。在壓應力作用下，缺陷的一般愈合情況如下：外部壓力，一方面抑制裂紋張開，另一方面因缺陷相對表面間越來越多地出現(xiàn)接觸橋而阻礙裂紋的生長。由于接觸點處有很高的接觸應力以及互擴散的作用，缺陷發(fā)生“自愈合”，金屬得以恢復其完整性。靜水壓力能抑制材料中原先存在各種缺陷的發(fā)展：I. E. French和P. F. Weinrich在文獻8。中在對鋁的拉伸斷裂機制的研究中發(fā)現(xiàn)，在對商業(yè)純鋁的拉伸試驗中引入靜水壓力后，由于附加靜水壓力對孔洞的長大與合并明顯的抑制作用，使得拉伸斷裂的機制發(fā)生明顯變化。在常壓下對金屬鋁

9、進行的拉伸試驗，可觀察到雙杯狀斷口，雙杯斷裂是孔洞的長大與合并引起的。當金屬鋁在150MPa的靜水壓力下進行拉伸時，試樣在斷裂前發(fā)生了更加充分的塑性變形，斷口形貌為鑿形，沒有觀察到明顯的孔洞長大與合并。靜水壓力作用下，孔洞的長大與合并難以發(fā)生，試樣在剪切作用下通過頸縮最終導致斷裂。斷裂機制在靜水壓力作用下發(fā)生了改變。 1.3.1高壓扭轉（HPT）HPT19的原理圖如圖1-1所示。裝置主要由可運動的沖頭和固定的模具構成。對模具中的試樣施加GPa級別的高壓，同時通過旋轉沖頭來扭轉試樣，樣品同時受到壓力和剪切力。在變形過程中，試樣尺寸不發(fā)生改變，所以在試樣外側可以引入很大的剪切應變。在整個過程中，試

10、樣在類似于靜水壓力的條件下發(fā)生剪切應變，因此盡管應變量較大，試樣仍不會發(fā)生破裂，在較大變形后可獲得均勻的納米結構。通常這種方法制備的樣品為圓盤狀，直徑為1020mm，厚度為0.20.5mm。圖1-1HPT示意圖1.3.2等徑角擠壓（ECAP）ECAP20原理圖如圖1-2所示，它采用的模具是兩個具有相同形狀和相等橫截面的通道按一定角度相互交截而成，兩個通道的內(nèi)交角為 ，外接弧角為 。外加載荷的作用下，試樣從模具的一端壓入，另一端壓出。理想條件下，變形是通過在兩等截面通道的交截面（剪切平面）發(fā)生簡單切變實現(xiàn)的。由于變形前后試樣的橫截面積不發(fā)生變化，因此，同一試樣可以重復進行，以達到所需要的變形程度

11、，使材料的組織和物理性能都發(fā)生顯著變化，在材料內(nèi)部形成亞微米甚至納米晶粒結構。背壓ECAP(BP-ECAP)即在模具出口通道施加背壓的ECAP技術，可以有效地控制和改善材料的微觀組織和機械性能。BP-ECAP為材料的塑性變形提供了靜水壓力環(huán)境，由于靜水壓力的作用阻礙裂紋的形成與長大，使是變形更加均勻，因此難加工材料即使在低的溫度下擠壓，也可以有效地細化晶粒而且試樣表面不出現(xiàn)裂紋。(a)ECAP(b)BP-ECAP圖1-2ECAP和BP-ECAP示意圖211.3.3現(xiàn)有工藝的不足雖然用ECAP進行超細晶金屬加工處理具有巨大潛力，但是，對于一些難加工合金（如鎂合金等），進行ECAP經(jīng)常發(fā)生開裂，如

12、果提高工藝溫度，又不能達到理想的晶粒細化效果。而且ECAP雖然可以多道次操作，但是每一道次都要浪費大量材料。背壓ECAP在一定程度上解決了ECAP加工鎂合金等難變形金屬的開裂問題，但是BP-ECAP所能提供的背壓有限，靜水壓力水平只能維持在幾百兆帕，因此，細化晶粒至納米尺寸需要很高的道次，實際操作繁瑣。 圖1-3 t-HPS方法原理圖：該示意圖采用固定芯軸并且逆時針轉動環(huán)套的方式實現(xiàn)管材切向的剪切變形t-HPS技術原理的關鍵在于要使得管狀材料內(nèi)部中產(chǎn)生較高的靜水壓力，高靜水壓力的獲得有多種方式。法國梅茲大學的Toth最先提出了利用很大壓力壓向芯軸，使得芯軸發(fā)生變形，從而擠壓芯軸與剛性圓盤之間的

13、管狀試樣并獲得靜水壓力的實現(xiàn)方案，這種方案的原理如圖1-4所示。他們稱這種方法為管材管高壓扭轉法（high-pressure tube twisting 簡稱HPTT）。事實上，該方法實現(xiàn)的正是管材管壁切向的剪切變形而不是管材的扭轉變形。關于扭轉變形（HPT），管材的扭轉變形以及管材的剪切變形（t-HPS）的區(qū)別如圖1-5所示。圖 1-4 管高壓扭轉原理示意圖22該方法的思路很好，但其最主要的問題是該方法對試樣的加載方式是徑向加載方式，也就是說，該方法直接對芯棒施加軸向壓力，芯棒發(fā)生的徑向膨脹對試樣產(chǎn)生徑向壓力。在這種加載方式下，壓力并沒有直接加載在管狀材料的軸向，試樣所承受的靜水壓力來自芯棒

14、受壓后的彈性變形，由于材料彈性變形不可能很大，很難產(chǎn)生高的靜水壓力，因而能提供的環(huán)向摩擦力有限。對于強度較高的材料，由于所能產(chǎn)生的摩擦力達不到材料的屈服強度，容易出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象，無法實現(xiàn)所需要的變形。該方法另一方面問題是位于管狀試樣兩端的檔板是一懸臂梁式結構，對試樣軸向變形的約束不夠，試樣承受的靜水壓力較高時，材料很容易從縫隙中擠出，影響加工過程。圖 1-5 應變特征區(qū)別示意圖：a)HPT; b)tube torsion or twisting; c)t-HPS我們提出了直接對管材端部進行加壓從而產(chǎn)生靜水壓力的方案23，如圖1-6所示。與我們合作的青島科技大學王進老師課題組利用該方案，對純鋁實

15、現(xiàn)了管材高壓剪切變形。在該方案中管狀試樣被固定在具有卡槽的圓形底座上，試樣外側套有可轉動的剛性環(huán)套，帶有芯軸的壓頭從管狀試樣的中心穿過，壓頭上的環(huán)形擠壓墊對試樣施加壓力，管狀試樣在巨大壓力的作用下沿徑向膨脹，由于剛性環(huán)套、芯軸和底座的約束作用，試樣承受了很高的靜水壓力。高靜水壓力條件下，將會在管狀試樣的內(nèi)外壁都產(chǎn)生很大的摩擦力。剛性環(huán)套旋轉時，保持上部壓頭與底座固定，大的摩擦力對應的扭矩作用下，管狀試樣發(fā)生環(huán)向的剪切塑性變形。 這種方法加工工件為帶有錐度的管狀，存在一個錐角θ。其裝置與圖3中裝置類似，軸向壓力P沿豎直方向施加，而底座支撐剛性環(huán)套。圖1-9為劈尖原理的示意圖。當施加了

16、軸向壓力P后，由于劈尖原理的力放大作用，芯軸對樣品的正壓力N就會成倍增大，而且這個壓力均勻施加于管壁。工件受壓而向上下空隙擠出，約束體之間的空隙也會變小。而擠出部分與約束體的摩擦力就會阻礙工件的繼續(xù)變形，從而在工件內(nèi)獲得高靜水壓力。與圖1-6裝置相比，圖1-8裝置所要求的設備較簡單，軸向壓力只需施加于芯軸而不是工件端面。圖1-8 利用劈尖原理實現(xiàn)管狀材料高壓剪切變形的方法示意圖211-錐行芯軸，2-加工工件，3-剛性環(huán)套圖1-9 劈尖原理的示意圖2實驗研究目的本課題擬通過對大變形切變加工新方法的初步實驗，對工藝過程進行可行性評估。實驗理想目的是獲得晶粒尺寸小于塑性變形機制由孿生控制到位錯滑移控

17、制轉變的臨界尺寸的樣品，并通過對所獲樣品進行的金相分析和顯微硬度實驗。確定合理的工藝參數(shù)、設備參數(shù)等，為發(fā)展塑性加工新方法提供參考。實驗過程中要做到：熟悉現(xiàn)有劇烈塑性變形加工方法及其不足，了解新方法的原理。同時要掌握一些模具裝配、改進的基本方法，初步了解科研工作的基本程序，研究應變量、變形速率、試樣尺寸以及靜水壓力等工藝參數(shù)對大變形切變加工新方法的影響，并最終確定合理的工藝參數(shù)。2.1具體研究目標1.熟悉現(xiàn)有劇烈塑性變形加工方法及其不足，針對新的劇烈塑性變形工藝，掌握模具裝配、改進的一些基本方法。2.通過對AZ31鎂合金、純鋁及純銅等金屬管材高壓切變（t-HPS）實驗，為發(fā)展塑性加工新方法所涉

18、及的工藝參數(shù)、設備參數(shù)等提供參考。 （1）粗磨金相：采用金相砂紙對試樣進行打磨，從400號金相砂紙開始打磨致600號，再經(jīng)拋光機拋光；（2）電解拋光，選用電解液：高氯酸+無水乙醇（體積比1:9），電解拋光時溫度控制在40度以內(nèi)，電解時間：15S，電壓：20V，電流：0.1A；（3）陽極（氧化）覆膜，覆膜溶液：46ml 氟硼酸（HBF4）+200ml 蒸餾水，電壓控制為2022V，覆膜時間控制在90180s，溫度為室溫。此外還對純鋁試樣進行橫截面硬度分布測量。選用儀器為HVS-1000Z型維氏顯微硬度計。實驗參數(shù)：對內(nèi)半徑10mm，外半徑14mm的管狀工件，沿徑向從內(nèi)到外每隔0.4mm的位置進行硬度測量，壓入力0.025kgN，保壓10s。圖3-2 維氏顯微硬度測試數(shù)據(jù)點選取方案示意圖顯微硬度和金相實驗結果分別如圖3-3、3-4、3-5和3-6所示。圖3-3 顯微硬度沿不同半徑位置的分布圖3-4 顯微硬度與等效應變關系圖3-5 通過顯微硬度估算通等效應變沿不同半徑位置的分布與等效應變解析曲線圖3-6 純鋁金相顯微圖：(a)原始態(tài)；(b)變形態(tài)圖3-6（a）為原始態(tài)純鋁管材橫截面的金相組織照片，從圖中可以看出，原始態(tài)組織呈等軸