电工钢板材分切过程塑性变形及断裂机理研究

摘要

随着IT、电工电讯、变电设备、新能源汽车等行业的迅速发展，顺应绿色低碳理念，对电工钢板材在加工工艺理论、装备水平、质量要求等方面提出更高要求。电工钢板材的纵向分切和横向分切是制作铁芯等电工元件的基础。深入研究电工钢板材分切加工过程中弹塑性变形过程、断裂机理，以及分切过程中的切削力特性等具有重要意义。
　　基于电工钢板材横剪分切实验，采用2D/3D检测归纳分析断面形貌及其特征，研究了板材厚度、刀具相对侧隙对断面形貌特征的影响。结果表明：刀具相对侧隙越大，则特征区塌角越大、剪切带越窄、断裂带越宽、断裂角越大、断面越粗糙、韧窝特征越明显，且板材越薄对相对侧向间隙越敏感。在相同相对侧隙下，板材厚度越薄，断面的孔洞特征越明显，相对断裂带高度及断裂角越大。通过力学建模和有限元分析，弄清了分切断面各特征带的形成过程及侧向间隙对断面形貌的影响规律，刀具相对侧向间隙越大，剪切区材料拉应力成分越大，材料容易发生微裂纹的萌生，造成其剪切带变窄，断裂带变宽，断裂带韧窝加深。
　　电工钢板材分切加工过程中剪切变形时材料发生了组织流动、晶粒变形、加工硬化等显微组织状态的变化，决定了材料的塑性变形和断裂行为。通过实时跟踪电工钢板材剪切过程中的组织流动，分析比较了侧向间隙对组织流动的影响；通过金相检测、EBSD、有限元仿真等手段研究了剪切过程中的晶粒变形，分析比较了侧向间隙对剪切过程中晶粒变形及断面形成过程的影响；使用剪切区材料硬度云图表征了剪切过程中的硬度分布和硬度大小的变化。
　　使用Kistler5073A测力仪测量分析了斜刃横剪三向分切力特性及其影响。通过力学模型推导了板材斜刃横剪剪切力的理论计算公式，分析了板材厚度、相对侧隙和板材宽度等对剪切力的影响，并对比分析了测量结果与理论计算结果的差异。结果发现对厚度1.5mm以内板材的实测分切力是理论计算值的1.5~4倍，并且板材越薄差异越大，其原因认为是斜刃剪切时整个被剪面不同区域分别处于弯曲、扭转、剪切、拉伸等多种变形状态下，而理论计算使用纯剪切模型所造成的差异。根据分切力测量数据在分切力计算公式中引入板材厚度修正系数，大幅提高了厚度1.0mm以内的电工钢、纯铜、纯铝板材剪切力计算精度。
　　设计了一套改进的Arcan夹具，对蝶形试样分别进行0°、45°、90°拉伸实验，构造了剪切、45°拉伸-剪切复合、拉伸三种应力状态，研究了三轴应力度对电工钢的塑性变形和断裂机制的影响。发现无取向电工钢剪切过程中，剪切带形成时，应力三轴度Rσ≤0，切应力较大而正应力很小，随着变形损伤的加剧材料最终发生剪切型断裂；断裂带形成时，00.4，正应力较大而切应力较小，材料为韧窝型断裂。当刀具侧向间隙增大或板材厚度减小时，剪切区材料材料所受的拉应力成分增加，Rσ增大，整个断面韧窝特征变明显。

目录

第一章 绪论

1.1课题研究背景及选题意义

1.2金属板材分切加工研究现状

1.3本文课题来源和主要研究内容

第二章 金属板材剪切加工的实验材料及研究方法

2.1实验材料性能及微观组织分析

2.2实验方案及测试方法

2.3有限元模型的建立

第三章 电工钢剪切断面特征分析

3.1引言

3.2相对侧隙对断面形貌的影响

3.3板材厚度对断面形貌的影响

3.4板材静水应力与断面形貌形成机理分析

3.5本章小结

第四章 电工钢剪切过程的显微状态研究

4.1引言

4.2电工钢剪切过程组织流动分析

4.3电工钢剪切过程晶粒变形分析

4.4电工钢剪切加工硬化分析

4.5本章小结

第五章 电工钢板材斜刃剪分切力特性研究

5.1引言

5.2理论剪切力计算及理论F-s曲线

5.3实测三向剪切力与理论三向剪切力的比较

5.4传统斜刃剪切力公式计算误差分析

5.5金属薄板斜刃剪切力计算公式的拟合与验证

5.6工艺参数对剪切力的影响

5.7本章小结

第六章 应力状态对电工钢塑性变形和断裂行为的影响

6.1 引言

6.2 变形区应力状态有限元仿真

6.3 实验结果与分析

6.4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢