纯钨大塑性变形模拟及实验研究

摘要

作为所有金属中熔点和沸点最高的金属，钨具有最低的热膨胀系数、优异的高温力学性能、高的压缩模量与弹性模量等特点，是一种重要的战略金属。工业制钨只能由粉末冶金方法获得，这造成材料晶粒粗大、内部含有大量孔隙与杂质、致密度不高、强度韧性较差等缺陷，严重限制了钨的应用。大塑性变形工艺(SPD)可以在较低温度下通过固结和细化作用得到致密超细晶组织，为解决此类问题提供了思路。其中的等径角挤压(ECAP)和多向锻造(MDF)技术由于其显著的作用效果而备受关注。　　本文首先从离散元角度建立了纯钨粉末的ECAP模型，运用PFC软件对其进行了数值模拟，研究了变形过程中的颗粒变形、速度分布、接触力链、致密行为等。模拟中试样经一道次ECAP后，颗粒簇被拉伸的方向与水平方向成26.5°，模具内圆角部分对颗粒流动有很大的阻碍作用，经过此区域时，颗粒速度和接触力都会发生减小，温升主要由颗粒的塑性变形产热引起，同时其致密度得到有效提高。在Deform中建立了纯钨的不可压缩刚塑性材料模型，对变形过程进行了有限元模拟，通过对比分析，确定了实验时的最佳工艺参数。　　在相对较低的温度下对纯钨粉末分别进行了ECAP和MDF实验，运用光学显微镜观察、扫描电子显微镜观察、相对密度测定及显微硬度测定等手段，对变形过程中的致密行为及固结机理进行研究。结果表明:钨粉经一道次ECAP后，团聚现象消失，致密度提高;经二道次MDF后，不仅致密度得到提高，而且粉末产生了固结。适当温度下的SPD法可有效增加烧结应力，降低致密所需温度，抑制晶粒长大。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 钨及其合金概述

1．1．1 钨及其合金特点

1．1．2 钨及其合金的加工

1．2 大塑性变形工艺发展及概况

1．2．1 大塑性变形工艺现状

1．2．2 ECAP工艺原理

1．2．3 MDF工艺原理

1．3 钨的大塑性变形研究概况

1．4 数值模拟在材料科学中的应用

1．5 课题来源和主要内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 课题研究意义及主要内容

1．6 本章小结

第二章 实验材料及方法

2．1 实验材料

2．1．1 纯钨粉末

2．1．2 包套材料

2．1．3 粉末质量计算

2．2 实验方案

2．2．1 技术路线

2．2．2 实验设备

2．3 测试方法

2．3．1 腐蚀方法

2．3．2 光学显微镜(OM)观察

2．3．3 相对密度测定

2．3．4 显微硬度测试

2．3．5 扫描电子显微镜(SEM)观察

2．4 本章小结

第三章 模具结构设计与模拟分析

3．1 ECAP模具工艺分析

3．2 ECAP模具结构设计

3．2．1 凸模设计

3．2．2 凹模设计

3．2．3 模具装配图

3．3 模具受力分析

3．4 有限元基本理论

3．5 材料及模拟方案的确定

3．6 工艺参数对变形行为的影响

3．6．1 模具温度的影响

3．6．2 挤压速度的影响

3．7 试样的—道次变形情况

3．7．1 速度分布

3．7．2 应变分布

3．8 本章小结

第四章 纯钨粉末ECAP离散元模拟

4．1 离散单元法理论基础

4．1．1 力—位移定律

4．1．2 运动定律

4．1．3 边界条件和初始条件

4．1．4 接触数及孔隙率

4．2 离散元模型的建立

4．3 离散元数值模拟

4．3．1 变形行为分析

4．3．2 速度分布

4．3．3 接触力链

4．3．4 致密行为

4．4 本章小结

第五章 大塑性变形工艺对纯钨材料组织的影响

5．1 钨粉的等径角挤压实验

5．1．1 钨试样变形情况

5．1．2 试样显截组织分析

5．1．3 孔隙变形模拟实验

5．2 钨粉的多向锻造实验

5．2．1 致密度及显微硬度

5．2．2 SEM形貌观察

5．2．3 烧结体钨的孔隙变化

5．3 钨粉大塑性变形致密过程分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况