42CrMo钢塑性成形中的损伤开裂研究

摘要

在金属材料的塑性加工中,损伤开裂是影响工件成形性能的重要因素之一,也逐渐成为塑性加工领域的研究热点。但是,如何准确描述塑性成形中的损伤开裂仍是一个难题。本文主要是以典型大锻件材料42CrMo钢为研究对象,建立了一种适用于该材料的韧性开裂损伤模型,并分析其锻造过程中的损伤演化规律。研究内容与主要成果包括以下四方面:
　　 通过热模拟试验,获得了典型大锻件材料42CrMo钢高温拉伸时的应力应变数据,结合微观组织与塑性理论深入分析了该材料的高温流变特性,建立了基于Zeller-Hollomon参数的高温流变本构方程。
　　 通过试探法确定了有限元模拟所用的材料属性;在连续介质力学框架下,引入变形温度与应变速率对材料损伤的影响,改进了Freudenthal、Cockroft-Latham、Normalized C-L三种常用的韧性断裂准则,并进一步修正了Normalized C-L准则的改进模型,最终建立了适用于42CrMo钢的韧性开裂损伤模型,其预测结果与试验吻合很好,有效地证明了在建立大锻件材料的损伤开裂模型时,必须考虑变形温度和应变速率对损伤的影响。
　　 利用有限元计算的方法,研究了42CrMo钢在锻造过程中的损伤程度及分布情况。结果表明:当温度为1200℃时,材料出现损伤的极限压下率为44％;当温度为950℃时,材料出现损伤的极限压下率为53％。此结果与试验结果相吻合,充分说明了所建立损伤开裂模型适用于该研究材料的锻造过程。
　　 通过有限元模拟了典型尺寸锻件的锻造过程,讨论了料宽比、砧宽比、变形温度、应变速率对材料损伤演化的影响规律,获得了不同变形工艺下的成形极限图。结果表明:变形温度与变形速率对材料锻造过程中的损伤影响较大,而料宽比与砧宽比对其影响较小,可以忽略;当速率为0.3s-1,温度为1150℃时,大锻件在锻造过程中的塑性最好,适于高温锻造。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 金属塑性成形中的开裂现象

1.3 损伤理论

1.4 材料的韧性断裂

1.4.1 韧性断裂概述

1.4.2 断裂的外部影响因素

1.4.3 常用的韧性断裂准则

1.4.4 断裂准则中材料常数的确定

1.4.5 韧性断裂的国内外研究现状

1.5 有限元模拟在金属塑性加工中应用

1.6 本课题的来源、研究目的及研究内容

1.6.1 课题来源

1.6.2 本课题的研究目的及意义

1.6.3 本课题研究的主要内容及技术路线

第二章 典型大锻件材料42CrMo钢的高温流变特性

2.1 材料的高温拉伸试验

2.1.1 试验材料

2.1.2 试验方法

2.2 高温拉伸试验结果

2.2.1 不同变形工艺下的试样表观特征

2.2.2 材料的拉伸载荷-位移曲线

2.2.3 材料的抗拉强度

2.3 高温拉伸特性分析

2.3.1 高温拉伸特性

2.3.2 高温拉伸的微观断裂分析

2.3.3 不同工艺参数下的塑性分析

2.3.4 材料的真应力-真应变曲线分析

2.4 材料高温拉伸的Z参数描述

2.4.1 Z参数模型理论及其建立

2.4.2 Z参数模型验证

2.5 本章小结

第三章 典型大锻件材料42CrMo钢损伤开裂模型的建立

3.1 DEFORM-3D有限元软件概述

3.2 有限元模拟中材料属性的确定

3.2.1 材料性能的确定方法

3.2.2 有限元模拟的基本假设和基本方程

3.2.3 有限元中材料属性的确定过程

3.3 韧性开裂损伤模型的建立

3.3.1 损伤模型简述

3.3.2 损伤模型的确定

3.3.3 有限元中损伤模型的二次开发

3.3.4 损伤模型的验证

3.4 韧性损伤模型的修正

3.5 本章小结

第四章 42CrMo钢锻造成形中的损伤开裂研究

4.1 锻压试验

4.2 锻压过程中损伤开裂的有限元模拟

4.2.1 有限元模型的建立及模拟控制

4.2.2 有限元模拟结果分析

4.3 试验与模拟结果的对比

4.4 典型尺寸大锻件的锻造成形极限图

4.4.1 料宽比对大锻件损伤演变的影响

4.4.2 砧宽比对大锻件损伤演变的影响

4.4.3 变形温度与应变速率对大锻件损伤演变的影响

4.4.4 不同变形工艺下的成形极限图

4.5 结论

第五章 总结与展望

5.1 本文研究工作总结

5.2 后续的研究工作与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成论文情况

攻读硕士学位期间参加的科研项目情况