奥氏体不锈钢电辅助压印成形工艺建模与实验研究

摘要

微通道反应器、微通道换热器等微细结构可以显著提高产品性能和减小结构尺寸，在能源、化工、半导体照明等领域具有广阔的应用前景。微细结构的高效高精度加工是制约这类产品大规模应用的主要难点之一。电辅助成形能有效地降低金属材料塑性变形抗力，是实现微细结构高效加工的新型成形技术。但在电辅助成形工艺过程中，由于高密度电流不仅通过工件温升效应间接地降低材料的屈服应力，而且还借助于电致塑性效应直接降低材料的屈服应力，特别是奥氏体不锈钢这类伴随应变诱导固态相变现象的材料，电流影响的机理更加复杂。现有的成形工艺分析模型，主要考虑电热温升效应对材料屈服应力的影响，不能考虑高密度电流直接激发位错滑移而引起的电致塑性效应影响，导致电辅助成形过程材料流变预测精度低，工艺设计困难。
　　本文围绕奥氏体不锈钢316L微细压印成形工艺过程，开展了电辅助压印成形工艺的数值建模和实验研究。首先通过材料拉伸实验研究高密度电流对材料流变应力的影响规律，并构建结合考虑材料温升效应和电致塑性效应的应力应变本构关系；建立电辅助微细压印成形过程的仿真分析模型，定量地分析成形工艺参数对微细成形特征尺寸的影响规律；建立微细结构电辅助压印工艺实验台，通过微细特征的压印成形实验验证仿真模型的有效性和成形工艺可行性。论文工作包括以下几个方面：
　　1)高密度电流对奥氏体不锈钢屈服应力的影响规律
　　针对电辅助成形过程，电热效应和电致塑性效应并存的现象，集成高密度电流发生器与材料拉伸性能实验测试仪，设计了金属材料电辅助拉伸性能测试系统，提出温升效应和电致塑性效应解耦的金属材料屈服应力及微观组织的测试方法，揭示了奥氏体不锈钢电辅助拉伸过程屈服应力的变化规律。实验结果表明，高密度电流不仅通过电热温升效应促进位错的滑移，减小材料的剪切模量，提高马氏体相变所需机械驱动力，延后马氏体相变的发生，从而降低奥氏体不锈钢屈服应力，而且还通过电致塑性效应更进一步地直接促进位错的滑移，降低奥氏体不锈钢屈服应力，并进一步抑制应变诱导马氏体相变的发生。
　　2)高密度电流作用下奥氏体不锈钢成形的本构关系
　　综合位错滑移、固溶强化和应变诱导相变理论，建立了基于各向同性强化的奥氏体不锈钢电辅助成形过程的屈服应力模型，通过实验数据拟合出反映高密度电流和材料温升促进位错滑移，增强位错存储和恢复，延迟和抑制应变诱导马氏体相变等现象的模型参数，定量地描述电热温升效应和电致塑性效应对应力应变关系的影响，为电辅助成形工艺分析提供基础。
　　3)考虑电热效应和电致塑性效应的微细压印电辅助成形过程仿真模型
　　针对电辅助成形中电热效应和电致塑性效应相互耦合的特点，建立了基于Abaqus的电辅助压印成形过程的“电-热-结构”多场耦合模型。该模型利用所开发的Fortran子程序提取工件内部电流密度分布信息，通过定义场变量的方法将电流密度信息引入材料屈服应力的更新求解过程，从而实现电辅助成形工艺过程的仿真。借助该仿真模型，分析了微细槽型结构压印成形过程的材料塑性变形规律，高密度电流和工件材料温升均减少了有效应力和相变硬化率，增大了工件内部各处的塑性变形程度，减少了马氏体生成。研究表明：在受压力较小的区域，电流影响以减小屈服应力为主；在受压力较大而且塑性变形量较大的区域，电流在增大塑性变形量的同时也减小屈服应力；在受压力较大但塑性变形量较小的区域，电流影响则以增大塑性变形量为主。
　　4)电辅助微细压印成形工艺实验研究
　　针对电辅助成形工艺在工件塑性变形过程中辅以高密度电流刺激的特点，在传统的压机和模具组成的成形工艺系统中集成高密度电流发生器，并开展了相应的实验研究。通过多种工艺参数下流道成形深度和微观结构变化的工艺实验结果与数值仿真结果的对比，验证前述工艺仿真模型的有效性与准确性，说明了电致塑性效应等高密度电流对屈服应力的直接影响在电辅助成形工艺过程数值分析中的必要性。
　　通过上述研究，建立了不锈钢材料电辅助成形材料本构模型，实现了电流与温度的瞬时作用和累积作用的定量分析；提出了电辅助成形工艺“电-热-结构”多场耦合仿真分析方法，研究了电流参数对成形质量的影响规律，开展了压印成形实验，验证了电辅助压印成形工艺的可行性，为电辅助压印成形工艺工程运用奠定了理论基础。

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目录

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究现状总结

1.4 本文研究内容

第二章 高密度电流对金属材料影响的实验研究

2.1 引言

2.2 实验研究系统与方法

2.3 电流对金属材料塑性变形应力变化的影响

2.4 电流影响下的金属材料应力松弛

2.5 电流对金属材料微观结构变化的影响

2.6 本章小结

第三章 高密度电流作用下的金属材料塑性变形本构建模

3.1 引言

3.2 奥氏体不锈钢材料的屈服应力构成

3.3 电流作用下初始屈服应力建模分析

3.4 电流刺激下塑性变形位错密度建模

3.5 奥氏体不锈钢材料的应变诱导马氏体相变

3.6 奥氏体不锈钢的硬度变化规律

3.7 模型验证

3.8 本章小结

第四章 电辅助压印成形工艺仿真建模与分析

4.1 引言

4.2 塑性变形过程的多场耦合数值建模

4.3 电辅助微细成形工艺的有限元分析建模

4.4 电辅助成形工艺仿真结果分析

4.5 本章小结

第五章 电辅助压印成形工艺实验研究

5.1 引言

5.2 电辅助成形工艺实验

5.3 实验结果分析

5.4 微通道反应器的电辅助成形工艺应用

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究工作与结论

6.2 本文研究主要创新点

6.3 研究不足之处及研究工作展望

附录A 变量符号

附录B 公式列表

参考文献

致谢

已发表论文及专利