高强度纳米晶纯铜管材成形模拟研究

摘要

纯铜管材具有良好的耐蚀性，高温下亦可正常工作，常用于较为复杂的环境。但是纯铜挤压管材质地较硬，作为结构件时，受到周期载荷的情况下，纯铜管材寿命较差，限制了管材的进一步应用。为了改善管材性能，提高其强韧性，研究新型工艺，而管的等通道转角挤压工艺（TECAP）作为一种新型的剧烈塑性变形方法。其工艺是在材料受到三向压应力的作用下，管坯发生纯剪切变形，具有较好的变形效率。可以实现管坯材料的纳米化，具有较高的研究价值。现阶段，TECAP工艺正处于研发阶段，本文通过对TECAP工艺理想状况和三维情况进行数值模拟，并对模拟结果进行分析研究，为管材TECAP工艺更加深入系统研究打下良好的基础。
　　首先，在二维理想状况下对管坯进行等通道转角挤压数值模拟，发现管坯流动规律和应力应变分布情况。在理想情况下，材料在经过一道次的TECAP挤压以后，部分管坯发生了较大的剪切变形，产生了良好的效果。在模拟过程中，经过一道次TECAP变形后，靠近拐角处的管坯应变最为明显，最小变形处位于管坯的下端面远离拐角的位置。除此之外，材料与芯部填充物之间的接触条件对试样变形分布有着重要影响。接触条件越稳定变形质量越好，因而在变形过程中摩擦因子选取0.6变形效果较好。在选择填充材料时，应该选择力学性能和管坯材料力学性能相近的金属材料或非金属材料。
　　其次，在三维状况下对纯铜管材进行了TECAP的数值模拟分析，得到不同模具结构下，材料的流动规律以及应力应变分布情况。发现圆心角Ψ=20°时，拐角Φ=90°的情况下，管坯的等效应力应变较大，均匀性较好，管坯一道次变形综合成形质量较好。为了验证TCP模型和文中的TECAP模型变形情况，构建了TCP模拟模型，对比了TECAP的Ψ=20°时，Φ分别为90°、135°模具结构，在室温，低速变形过程中，TCP等效应变均值大于TECAP变形量。但是TCP对于模具质量要求较高，变形质量要由于TECAP变形质量，但是管坯的外表面受损较为严重。除此之外，对管坯TECAP一道次变形不同变形速度、温度以及润滑条件下，材料的应力应变分布，发现和棒材具有一致性，在T=200℃时，摩擦因子≤0.2时，材料一道次TECAP变形效果较好。
　　最后，对材料的微观组织进行了模拟，参考了位错变形机制和剪切变形机制，利用3D-deform软件自带的微观组织模拟系统，研究在再结晶温度以下，材料晶粒、晶界以及位错的变化情况，分析验证Φ=90°，Ψ=20°时，摩擦因子为0.12的情况下，管坯在T=250℃外界环境下，材料一道次TECAP变形后，管坯微观组织演化效果较为明显。通过对微观组织模拟，发现晶粒演化存在位错的增加和消失，亚晶界向大角度晶界的演化，因而TECAP实现管坯的晶粒细化，同时位错的变化强化了管坯的力学特征。总而言之，管坯实现了一定程度的强化。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1选题的依据

1.2 课题研究的主要内容和目的

1.3 国内外研究现状及发展动态

1.4 TECAP的基本原理

1.5 ECAP对材料组织和性能的影响

第2章 理想状态下TECAP变形研究

2.1管材TECAP力学解析

2.2有限元分析

2.3理想状况下数值模拟

2.4理想状况下变形的一般规律

2.5接触条件对于材料变形的影响

2.6本章小结

第3章 纯铜管材TECAP的三维模拟

3.1数值模拟构建和参数设定

3.2模具结构的影响

3.3TCP模具结构对管材变形的影响

3.4本章小结

第4章 模拟参数对于管材TECAP变形的影响

4.1变形温度对管材变形过程的影响

4.2摩擦条件对纯铜管材变形的影响

4.3挤压速度对于管材TECAP的影响

4.4本章小结

第5章 微观组织模拟

5.1微观组织模拟过程

5.2TECAP过程对管材晶界演化的影响

5.3纯铜管材位错演变研究

5.4本章小结

第6章 总结和展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况