高压扭转制备超细晶块体材料过程仿真与实验验证

摘要

超细晶块体材料(ultrafine-grained materials，UFG)具有高强度和良好的塑性以及低温超塑性等优异的力学性能和加工性能，成为目前国内外学者关注的热点之一。近年来出现了一系列超细晶块体材料的制备技术，在众多大塑性变形法(Severe plasticdeformation，SPD)中，高压扭转（High Pressure Torsion，HPT）可制备出亚微米或纳米块体超细晶材料，由于制备原理及工艺简单，材料具有独特显微结构、优良物理及力学性能而备受关注。
　　材料的性能与塑性变形程度密切相关，所以材料弹塑性应变过程对于高压扭转致超细晶材料制备机理研究至关重要，随着计算机和有限元分析的发展，计算机数值模拟仿真技术已成为一种主要研究手段。
　　基于此，本文采用计算机数值模拟仿真技术，利用两种有限元软件(ANSYS和DEFORM)，对两种材料（纯铜和IF钢）的高压扭转过程进行数值模拟研究。揭示材料在高压扭转过程中的变形规律，并通过实验验证了模拟结果的可靠性。
　　本文主要研究结果如下:
　　(1)试样经高压扭转变形后（压缩阶段和扭转阶段），硬度和显微组织不均匀分布，呈现“漏斗状”分布特征:心部晶粒粗大，硬度比较低;边缘处晶粒细小，塑性变形程度大，硬度很高;中间区域晶粒及硬度分布较为均匀。同时，试样变形过程中模拟结果的应力应变不均匀分布验证了实验结果。
　　(2)试样经高压扭转变形后，在试样心部的表面位置存在软区，随着旋转角度的增加而减小;但在试样心部中心部位会出现硬度高峰(Hardness Hill)区域。试样变形过程中硬度变化规律和组织演变研究结果表明:随着旋转角度的增加，大塑性变形区会由试样边缘向心部逐渐延伸。有限元模拟结果也验证了该规律的可靠性。
　　(3)对不同摩擦因数下试样表面上的等效应变分布进行有限元分析，结果发现:变形过程中，摩擦在扭转阶段对试样变形的影响更为显著;摩擦在试样边缘所起的作用最大;存在一个临界摩擦因数区间(0.9～1.5)，当此区间内，摩擦因数对等效应变影响最大。同时，实验及模拟结果均证明试样扭转过程中下表面的变形要滞后于上表面，并用不同的摩擦状态对此现象进行了分析探讨。
　　(4)对主应力法进行修正，提出一种相对可靠的理论计算模型，并用来研究高压扭转试样上的正应力分布。经过公式推导，获得试样表面三个不同区域（滑动区、制动区和停滞区）的正应力分布关系式。将主应力法应用到压缩阶段，发现试样表面只存在制动区和停滞区。另外，对比了有限元法和主应力法在接触面上的正应力分布，相互验证了其结果的可靠性。同时根据有限元法，分析了压缩过程中试样表面的等效应力分布特征:在停滞区呈线性分布，而在制动区，等效应力区域一致。