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NiTi记忆合金薄壁管滚珠旋压成形数值模拟研究

作　者: 孙金凤
导　师: 江树勇
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 形状记忆合金 NiTi合金滚珠旋压薄壁管有限元模拟
分类号: TG386
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

滚珠旋压属于连续局部塑性成形工艺,将其用于制备NiTi形状记忆合金薄壁管是一种崭新的尝试。为了更好地分析NiTi形状记忆合金薄壁管滚珠旋压变形规律,优化工艺参数,成形出合格的NiTi形状记忆合金薄壁管,有限元模拟技术无疑提供了一种很好的途径。本论文以铸态NiTi形状记忆合金铸锭作为原始实验材料,对其基本显微组织、力学性能和相变温度等进行了初步研究,分析了NiTi形状记忆合金在不同变形温度、不同变形速率下的压缩变形行为,为NiTi形状记忆合金薄壁管滚珠旋压成形实验提供了必要基础,并为NiTi形状记忆合金薄壁管滚珠旋压成形数值模拟提供了材料模型,最终采用刚粘塑性有限元法对NiTi合金薄壁管滚珠旋压过程进行了有限元模拟及分析。铸态NiTi合金铸锭Φ80mm×80mm采用真空自耗炉熔炼法制备,该合金材料的显微组织由粗大的树枝晶和等轴晶组成,基体相为NiTi,析出相为Ti2Ni；NiTi形状记忆合金的相变温度Ms=34.2℃,Mf=19.2℃,As=45.8℃,Af=65.7℃;合金室温条件下的晶体结构为单斜和立方两种；NiTi形状记忆合金的屈服强度为172.9MPa,弹性模量为68.1GPa;NiTi形状记忆合金低温和室温拉伸变形后发生解理断裂,断裂前没有明显的塑性变形,而NiTi形状记忆合金高温时塑性极好,拉伸变形后的断口呈刀刃型。NiTi形状记忆合金的高温压缩真应力-应变曲线表现出动态再结晶和动态回复的特征。NiTi形状记忆合金在高温压缩变形时对应变速率非常敏感,合金的屈服应力随着应变速率的增加而增大。而低温压缩变形时,应变速率影响不大。NiTi形状记忆合金的低温压缩断裂为典型的剪切断裂,断口为解理断裂特征,裂纹以穿晶方式向材料内扩展。采用刚粘塑性有限元法对NiTi形状记忆合金薄壁管滚珠反向旋压成形进行了模拟分析。通过有限元数值模拟分析了不同减薄量、不同滚珠直径、不同进给比及不同管坯壁厚对合金滚珠旋压成形性的影响,最终获得了成形0.5mm壁厚NiTi合金薄壁管件的最佳热旋压工艺参数：滚珠数量为7个,滚珠直径为10mm,每道次减薄量为0.05mm,进给比为1.6mm/r。在滚珠直径一定的条件下,每道次旋压不宜采用太大的壁厚减薄量,因此成形薄壁管时采用多道次滚珠旋压是必要的。本文还对壁厚为0.5mm的管坯进行了三个道次的滚珠旋压模拟,每道次的壁厚减薄量均为0.05mm,总壁厚减薄率为30%,最终获得了成形质量较好的0.35mm壁厚的模拟旋压管件。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-27
  1.1 引言  11
  1.2 NiTi形状记忆合金基本知识概述  11-17
    1.2.1 NiTi形状记忆合金的基本晶体结构  11-13
    1.2.2 NiTi形状记忆合金的形状记忆效应  13-14
    1.2.3 NiTi形状记忆合金的超弹性  14-15
    1.2.4 NiTi形状记忆合金的本构模型  15-16
    1.2.5 形状记忆效应及超弹性的影响因素  16-17
  1.3 NiTi形状记忆合金管材成形研究现状  17-19
  1.4 滚珠旋压研究现状  19-25
    1.4.1 滚珠旋压的基本原理  19-20
    1.4.2 滚珠旋压的基本特点  20-21
    1.4.3 滚珠旋压力学分析及理论研究  21-22
    1.4.4 滚珠旋压材料、工艺与设备  22-24
    1.4.5 滚珠旋压的有限元模拟  24-25
  1.5 选题意义及研究内容  25-27
第2章 NiTi记忆合金组织及力学性能分析  27-41
  2.1 引言  27
  2.2 NiTi形状记忆合金铸锭的熔炼  27-29
    2.2.1 熔炼方法的选择  27-28
    2.2.2 熔炼工艺过程  28-29
  2.3 铸态NiTi形状记忆合金相变温度确定  29-30
  2.4 铸态NiTi形状记忆合金显微组织分析  30-33
    2.4.1 金相组织观察及分析  30-32
    2.4.2 XRD分析  32-33
  2.5 铸态NiTi形状记忆合金拉伸性能试验  33-39
    2.5.1 拉伸试样制备  33
    2.5.2 拉伸性能试验  33-34
    2.5.3 拉伸试验结果  34-35
    2.5.4 拉伸断口及显微组织分析  35-39
  2.6 本章小结  39-41
第3章 NiTi记忆合金压缩变形行为研究  41-48
  3.1 引言  41
  3.2 NiTi记忆合金压缩试验  41
  3.3 NiTi记忆合金高温压缩变形行为分析  41-43
  3.4 NiTi记忆合金室温压缩变形行为分析  43-45
  3.5 NiTi记忆合金低温压缩变形行为分析  45-46
  3.6 压缩试样断口及显微组织分析  46-47
  3.7 本章小节  47-48
第4章 NiTi记忆合金管滚珠旋压有限元模型  48-60
  4.1 引言  48
  4.2 滚珠旋压基本工艺参数  48-51
    4.2.1 进给比  49
    4.2.2 壁厚减薄量  49
    4.2.3 壁厚减薄率  49-50
    4.2.4 咬入角  50
    4.2.5 滚珠直径  50
    4.2.6 滚珠数量  50-51
  4.3 NiTi记忆合金管滚珠旋压实验方案  51-53
    4.3.1 旋压方式  51-52
    4.3.2 旋压温度  52
    4.3.3 管坯尺寸  52-53
    4.3.4 滚珠直径及数量  53
    4.3.5 进给比  53
  4.4 滚珠旋压有限元模型的建立  53-59
    4.4.1 刚粘塑性有限元模拟的基本原理  53-55
    4.4.2 DEFORM有限元模拟软件的基本特点  55-56
    4.4.3 DEFORM有限元软件模拟条件  56
    4.4.4 有限元模拟材料模型  56-58
    4.4.5 有限元模拟力学模型  58-59
  4.5 本章小节  59-60
第5章 NiTi记忆合金管滚珠旋压有限元模拟  60-80
  5.1 引言  60
  5.2 不同减薄量的滚珠旋压有限元模拟  60-65
  5.3 不同滚珠直径滚珠旋压有限元模拟  65-71
  5.4 不同进给比的滚珠旋压有限元模拟  71-74
  5.5 不同壁厚管坯滚珠旋压有限元模拟  74-79
  5.6 本章小结  79-80
第6章 NiTi记忆合金管滚珠旋压多道次模拟  80-85
  6.1 引言  80
  6.2 多道次滚珠旋压有限元模拟条件  80
  6.3 多道次滚珠旋压模拟结果与分析  80-84
    6.3.1 应力与应变分布  80-82
    6.3.2 速度场  82-83
    6.3.3 滚珠旋压载荷预测  83-84
  6.4 本章小结  84-85
结论  85-87
参考文献  87-93
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  93-94
致谢  94

NiTi记忆合金薄壁管滚珠旋压成形数值模拟研究

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