筒形件強力旋壓時納米超細晶生成條件研究

筒形件強力壓時納米/細晶生成件研究現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展,對零部件的綜合力學性能提出了更高的要求。具有納米/超細晶結(jié)構(gòu)的零件因具有高的強度、硬度和較好的塑性等優(yōu)異的綜合力學性能而備受關(guān)注。目前傳統(tǒng)的塊體納米/超細晶材料制備方法因所需應變量大導致其成形工藝復雜;而且所成形的試樣體積較小,不符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此,如何在小應變條件下實現(xiàn)大體積納米/超細晶零件的高精度成本制造已成為實現(xiàn)納米/超細晶零部件大規(guī)模應用的關(guān)鍵和難點。本文在國家自然科學基金項目“強力旋壓制備納米超細晶筒形件的方法及機理研究”(課題編號:51075153)和廣東省自然科學基金項目“錯距旋壓制備納米/超細晶筒形件的方法及機理研究課題編號10151040301000000)的資助下,提出采用淬火力旋壓和再結(jié)晶退火相結(jié)合的方法解決了制備納米/超細晶筒形件所需應變量較大的難題及強力旋壓過程中晶粒變形的方向性問題圍繞納米/超細晶筒形件成形方法微觀組織演變規(guī)律納米/超細晶生成條件塑性變形機理及力學性能等方面展開研究主要研究內(nèi)容包括(1)強力旋壓法制備納米/超細晶筒形件成形方法研究基于上限法,在分析強力旋壓時未變形區(qū)形區(qū)及已變形區(qū)金屬流動規(guī)律的基礎上,首次建立了對輪旋壓時的金屬流動模型與等效應變分布模型,并與錯距旋壓進行對比,研究了旋壓成形方法(錯距旋壓與對輪旋壓)和減薄率對旋壓件等效應變大小及分布的影響規(guī)律采用有限元數(shù)值模擬及金相試驗驗證了理論推導建立的等效應變模型的可靠性在此基礎上,研究旋壓方法對晶粒尺寸及分布的影響規(guī)律,獲得強力旋壓時的晶粒細化規(guī)律,為納米/超細晶零件的制備奠定了理論基礎。

(2)強力旋壓法制備納米/超細晶筒形件成形試驗研究在分析目前塊體納米/超細晶材料制備方法的基礎上,探索降低將晶粒細化到納米或超細晶級別所需應變量的途徑,提出采用“淬火+強力旋壓+再結(jié)晶退火”的方法來實現(xiàn)在小應變條件下制備納米/超細晶筒形件,設計相應的旋壓成形工裝設備,以20鋼為毛坯材料,確定各工序的工藝參數(shù)(淬火時的溫度、保溫時間、冷卻介質(zhì),強力旋壓時的道次減薄率、進給比、錯距量、旋輪結(jié)構(gòu)形狀及再結(jié)晶退火時的溫度、保溫時間等);并進行成形試驗,對成形過程中的宏觀質(zhì)量相對壁厚偏差橢圓度直線度及粗糙度)和典型缺陷的成因進行分析,獲得了預防典型缺陷的措施。(3)強力旋壓法制備納米/超細晶筒形件微觀組織演變規(guī)律研究通過金相試驗、透射電鏡觀測(TEM),研究納米/超細晶筒形件制備過程中相組成、晶粒尺寸、形態(tài)及位錯的演變特征,揭示了淬火力旋壓及再結(jié)晶退火全流程微觀組織演變規(guī)律;對比分析了平衡組織和馬氏體組織在強力旋壓過程中取向差角及亞結(jié)構(gòu)的演變過程獲得了鐵素體、滲碳體及馬氏體在強力旋壓過程中的演變特征揭示了塑性變形時的晶粒細化機理;基于X-射線衍射(XRD)試驗對納米/超細晶筒形件制備過程中的位錯密度進行測量,獲得了位錯密度及儲存能對晶粒細化的影響規(guī)律;從宏觀成形工藝和微觀組織結(jié)構(gòu)兩個方面揭示納米超細晶的生成條件。(4)納米/超細晶筒形件塑性變形機理及力學性能研究以獲得的平均晶粒尺寸為160nm的納米/超細晶筒形件為對象,進行進一步的強力旋壓試驗,研究納米/超細晶筒形件在強力旋壓過程中晶粒大小態(tài)及位錯密度演變規(guī)律,揭示了納米/超細晶筒形件的塑性變形機理為晶界滑移和晶粒轉(zhuǎn)動同時還伴隨有少量的位錯滑移;基于拉伸試驗,對獲得的納米/超細晶筒形件的力學性能進行研究,其抗拉強度由425MPa升到815MPa由155HV升305.3HV,塑性略有減低

由24%下降到17.5%,所獲的納米/超細晶筒形件具有較