纯铜等径角挤压过程计算机模拟研究

摘要

等径角挤压（EqualChannelAngularPressing简称ECAP）技术作为制备大尺寸亚微米、纳米级块体材料的有效方法之一，日益受到材料科学界的重视，被认为是最有前途的制备超细晶材料工艺。 ECAP成形是一个多因素耦合作用下的宏观变形和微观组织演变交互影响的复杂成形过程。研究宏观变形和微观组织演变规律，是ECAP成形前沿领域迫切需要解决的重要课题。为此，本文采用数值模拟对纯铜ECAP变形过程宏微观变形过程进行了系统的研究，主要研究内容和结果如下：建立了ECAP成形有限元模型，解决了材料模型、单元选取、网格、边界条件处理、摩擦、求解器和增量步长选取等关键问题。基于DEFORM-3D软件平台，将纯铜的微观组织演变计算模型与宏观有限元计算模型相集成，成功地实现了ECAP变形和微观组织演变的模拟。 对ECAP过程变形和微观组织演变进行了模拟分析，揭示了试样变形过程、等效应变场、变形均匀性、应变速率、等效应力场、温度场的分布规律。对挤压路径、挤压道次、模具拐角对等效应变的影响规律进行了分析。ECAP成形过程中，在材料内部各处的等效应力是不均匀的，最大等效应力集中在模具转角靠近下模模壁处即材料发生塑性变形的通道转角处。在模具剪切变形区域内，应变速率最大。纯铜ECAP成形过程中，挤压变形使试样温度升高到300℃左右。温度场的变化大致可以分为3个阶段。 研究揭示了ECAP成形过程动态再结晶体积分数、动态再结晶晶粒尺寸、再结晶体积分数及平均晶粒尺寸的大小及分布规律，分析了挤压路径和挤压道次对微观组织演化规律的影响。挤压过程前期，没有动态再结晶，随着挤压过程的继续进行，动态再结晶体积分数增大，分布越来越均匀。随着挤压过程的进行，新生动态再结晶晶粒尺寸增大，但是由于挤压过程变形的分布不均匀性，导致试样中新生的动态再结晶晶粒的分布也不均匀。沿Bc路径挤压后动态再结晶体积分数分布最均匀。沿Bc路径挤压后试样的动态再结晶晶粒尺寸和晶粒尺寸最小，分布也最均匀。 为了验证模拟结果的正确性，采用理论分析结合实验验证的方法对模拟结果进行了对比验证。结果表明，模拟结果与理论分析结果和实验结果一致。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2超细晶材料的制备方法

1.3ECAP工艺及应用前景

1.3.1 ECAP工艺

1.3.2 ECAP工业应用现状及前景

1.4有限元数值模拟技术的应用

1.4.1有限元数值模拟技术在塑性加工过程中的应用

1.4.2有限元数值模拟技术在微观组织预测中的应用

1.4.3微观组织模拟常用方法和模型

1.5国内外研究ECAP的现状和存在的问题

1.6选题的目的及意义

1.6.1课题研究的目的

1.6.2课题研究的意义

1.7本文主要研究内容

第2章 ECAP基本理论和刚塑性有限元基本原理

2.1 ECAP法的工艺原理

2.2 ECAP工艺参数

2.2.1模具角度

2.2.2挤压次数

2.2.3挤压路线

2.2.4挤压温度

2.2.5挤压速度

2.3刚塑性有限元基本原理

2.3.1基本假设

2.3.2塑性力学基本方程

2.3.3刚塑性有限元变分原理

2.3.4塑性成形中再结晶机制

2.4本章小结

第3章 ECAP成形过程宏微观有限元建模

3.1引言

3.2 DEFORM软件平台简介

3.2.1 DEFORM软件概况

3.2.2 DEFORM软件的模块结构

3.2.3 DEFORM软件的功能

3.3 ECAP成形过程有限元建模关键技术处理

3.3.1几何及装配模型的建立

3.3.2材料模型的建立

3.3.3网格划分

3.3.4边界条件的处理

3.3.5模拟求解器的选择

3.3.6增量步长的控制

3.4微观组织演变模型

3.4.1临界应变方程的建立

3.4.2流变应力本构方程的建立

3.4.3动态再结晶晶粒尺寸与结晶百分数方程的建立

3.4.4晶粒长大模型

3.5 ECAP成形过程宏微观耦合仿真模型的建立

3.6本章小结

第4章 ECAP成形规律研究

4.1引言

4.2研究思路

4.3挤压件几何构形变化过程

4.3.1挤压过程

4.3.2挤压过程载荷曲线的变化

4.4挤压过程中场变量与分布规律

4.4.1等效应变变化与分布规律

4.4.2变形均匀性分析

4.4.3应变速率的变化

4.4.4等效应力的分析

4.4.5温度场的变化与分布规律

4.5工艺参数对ECAP成形过程的影响

4.5.1挤压路径对ECAP的影响

4.5.2模具角度对ECAP的影响

4.6本章小结

第5章 ECAP成形微观组织演变研究

5.1引言

5.2影响再结晶的主要因素

5.3 ECAP成形过程中组织演变模拟结果与分析

5.3.1动态再结晶体积分数大小及分布规律

5.3.2动态再结晶晶粒尺寸大小及分布规律

5.3.3再结晶体积分数的大小及分布规律

5.3.4平均晶粒尺寸的大小及分布规律

5.4挤压路径和挤压道次对微观组织的影响

5.4.1挤压路径对微观组织的影响

5.4.2挤压道次对微观组织的影响

5.5本章小结

第6章 模拟结果的验证

6.1理论验证

6.2试验验证

6.2.1挤压和模拟试样外观比较

6.2.2坐标网格和模拟网格变化比较

6.2.3微观组织的观察

6.3本章小结

结 论

参考文献

致 谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文