摩擦及背压对纯铜ECAP变形过程影响的有限元模拟

摘要

等径角挤压（ECAP）是一种在不改变材料外观形状和尺寸的条件下，有效生产大块体超细晶或纳米晶金属材料的新型塑性加工工艺。背压-等径角挤压法(Equal Channel Angular Pressing with Back Pressure，BP-ECAP或背压-ECAP)即在模具出口通道施加背压的ECAP技术，可以有效地控制和改善材料的微观组织和力学性能。晶体塑性有限元模拟（Crystal Plasticity Finite Element Method，简称CPFEM）是一种将晶体塑性理论与有限元计算有机结合的模拟方法。
　　本文利用商业有限元模拟软件ABAQUS对等径角挤压（ECAP）过程进行了三维有限元模拟计算。根据有限元基本假设及金属热粘塑性动态本构关系，引进晶粒尺寸效应，确定了本文中模拟所使用的本构模型关系方程。建立了单道次不同摩擦系数ECAP挤压过程模型和四道次连续背压-等径角挤压（BP-ECAP）过程模型，模拟了四种不同摩擦系数条件下，试样单道次 ECAP变形以及五个不同背压条件下试样四道次连续ECAP挤压过程。
　　通过对不同摩擦系数情况下单道次 ECAP挤压变形后试样内部等效塑性应变的分布进行对比后发现：试样的等效塑性应变分布在沿三个方向的截面上并不均匀，这说明了仅通过二维有限元模拟是远不能够真实地反映出实际情况下 ECAP挤压过程的。模拟结果同时表明：通道壁与试样接触对之间的摩擦对于经过 ECAP挤压过程后的试样内部等效塑性应变的分布以及挤压力的影响较大，随着摩擦系数的增大，各截面的变形不均匀程度和最大等效应变出现位置均会发生变化。经过对比后发现，摩擦系数μ=0.05是试样在ECAP变形过程中的最佳选择。
　　分析不同背压下四道次连续 ECAP挤压变形模拟后试样内部不同截面等效塑性应变分布以及不同背压对于试样ECAP变形的影响后发现，背压对于塑性应变区面积、应变速率分布均匀性和交角间隙均会造成一定影响。在背压小于100MPa时，塑性变形区会随着施加背压的增大而减小，但当背压超过了100MPa后，塑性变形区开始随着施加背压的增大而增大，因此当背压为100MPa时，塑性变形区域面积最小。此外，应变速率分布的均匀性也具有相同的变化趋势。而背压对于交角间隙的影响则不同，在背压为0时，交角间隙会达到最大值，之后随着施加背压的增大其逐渐减小，当背压达到了200MPa时，交角间隙则会消失不见。而变形不均匀性会随着背压的增大先减小后增大，在背压为100MPa时变形最均匀。因此施加一定值的背压可以扩大铜在通过 ECAP挤压后的变形范围，且使得ECAP过程对变形的温度条件不再过分要求，可进一步优化了 ECAP工艺。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2 技术原理

1.3 等径通道挤压技术的影响因素

1.4 ECAP 变形的织构演变

1.5 材料性能的转变

1.6 背压—等径角挤压法

1.7 ECAP工艺有限元模拟

1.8 本文选题背景与研究内容

第2章 有限元模拟的基本理论

2.1 有限元模拟理论

2.2 晶体塑性本构关系

2.3 常用金属材料热黏塑性动态本构关系

2.4 本章小结

第3章 单道次等径通道挤压三维有限元模拟

3.1 计算模型的建立

3.2 单道次ECAP模拟结果

3.3 挤压力-位移曲线

3.4 本章小结

第4章 连续通道背压-等径角挤压三维有限元分析

4.1 模型的建立

4.2 连续BP-ECAP挤压有限元模拟结果

4.3背压对等径角变形塑性变形区的影响

4.4 背压对应变分布均匀性的影响

4.5 背压对交角间隙的影响

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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