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细晶GCr15合金材料ECAE过程的数值模拟及摩擦学性能研究
作 者: 梁殿胜
导 师: 邓四二;苏冰
学 校: 河南科技大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: GCr15 ECAE(等径弯角挤压) 数值模拟 摩擦 磨损
分类号: TG376.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要
材料内部晶粒大小对其宏观特性有重要的影响,细化晶粒可以提高材料强度、塑性、韧性及耐腐蚀性等。等径弯角挤压(ECAE)可以在不改变材料横截面和成分的条件下使其产生严重的塑性变形,从而使材料的晶粒得到细化,通过对常用轴承材料GCr15进行等径弯角挤压(ECAE)处理,使其晶粒得到细化,以期得到高性能、长寿命轴承钢。本课题基于弹塑性有限元理论,以MSC.Marc软件为平台,对GCr15钢的ECAE过程进行了数值模拟研究。通过模拟获得了模具不同外接圆弧角Ψ、内交角Φ以及不同摩擦系数μ对GCr15等径弯角挤压过程中挤压载荷和等效应变的影响规律。模拟结果表明:挤压载荷和变形均匀性随着模具外接圆弧角Ψ的增加而减小,挤压过程中载荷的变化分为3个阶段:快速增加阶段、过渡阶段、稳定阶段;挤压后GCr15试样大致分为3个区域,两端的变形微小区和中部变形稳定区。随着摩擦系数μ的增加,挤压过程中最大挤压载荷增加的趋势在不断加大;而其等效应变分布的均匀性却在减小,这是由于摩擦系数越大,试样与通道壁之间的摩擦力越大,阻碍试样表层流动的作用越明显,同时,由于支反力对挤压的试样有推动作用,这样就导致了下部变形的不均匀性向上扩展,摩擦力越大这种现象越明显。随着模具内角Φ的增加,挤压载荷和变形均匀性都在减小,综合考虑两者因素,当Φ取120°有利于挤压过程的进行和挤压后试样变形均匀性的分布。通过对GCr15钢等径弯角挤压过程的模拟分析,为挤压工艺的优化和挤压模具的制作提供了定量的数据参考。根据模拟结果选取外接圆弧角Ψ的过渡半径为10mm,内交角Φ为120°的参数设计并制作了挤压模具,利用模具对热轧态优质GCr15钢进行等径弯角挤压(ECAE)处理,将处理后的GCr15钢在销-环式的MPV-1500型摩擦试验机上进行摩擦磨损性能实验,考察了等径弯角挤压对GCr15摩擦学性能的影响。结果表明:经过ECAE挤压工艺处理的GCr15钢其微观组织得到了不同程度的细化,并且在摩擦过程中的摩擦系数及磨损质量损失都有显著的下降,ECAE处理GCr15钢增强了其耐磨性。
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全文目录
摘要 2-4 ABSTRACT 4-9 第1章 绪论 9-13 1.1 ECAE 工艺概述 9-11 1.1.1 ECAE 工艺原理 9 1.1.2 ECAE 工艺特点 9-10 1.1.3 影响ECAE 过程的主要因素 10-11 1.2 ECAE 研究现状及发展趋势 11-12 1.3 课题研究意义及内容 12-13 1.3.1 本课题的研究意义 12 1.3.2 本课题的研究内容 12-13 第2章 ECAE 挤压工艺对金属组织与力学性能的影响 13-19 2.1 ECAE 对金属微观组织的影响 13-14 2.2 等径弯角挤压(ECAE)对金属力学性能的影响 14-18 2.3 本章小结 18-19 第3章 弹塑性有限元法原理及非线性行为分析求解 19-25 3.1 弹塑性有限元法原理 19-21 3.1.1 屈服准则 19-20 3.1.2 Prandtl-Reuss 塑性流动增量理论 20 3.1.3 弹塑性有限元法的应力应变关系 20-21 3.2 非线性行为分析求解 21-23 3.2.1 非线性分析 21-23 3.3 非线性的求解 23-24 3.4 本章小结 24-25 第4章 GCr5 钢 ECAE 过程有限元模型的建立 25-29 4.1 有限元分析软件MSC.Marc 简介 25-26 4.2 数值模型的建立 26-28 4.2.1 ECAE 模具模型 26 4.2.2 试样模型 26 4.2.3 试样网格单元类型的设定 26-27 4.2.4 材料模型 27 4.2.5 接触定义 27-28 4.2.6 摩擦模型 28 4.2.7 运动参数定义 28 4.3 本章小结 28-29 第5章 模拟结果与分析 29-41 5.1 外接圆弧角Ψ对GCr5 钢ECAE 影响的有限元分析 29-33 5.1.1 外接圆弧角Ψ对挤压载荷的影响 29-30 5.1.2 外接圆弧角Ψ对等效应变的影响 30-33 5.2 不同摩擦条件下GCr5 钢ECAE 过程的有限元分析 33-35 5.2.1 摩擦对挤压载荷的影响 33-34 5.2.2 摩擦对等效应变的影响 34-35 5.3 模具内角对GCr5 钢ECAE 影响的有限元分析 35-40 5.3.1 挤压载荷的变化情况 35-38 5.3.2 等效应变的分布 38-40 5.4 本章小结 40-41 第6章 GCr5 钢 ECAE 模具设计 41-49 6.1 模具材料的选择 41 6.2 模具结构参数的选取 41-42 6.3 模具结构设计 42-48 6.4 本章小结 48-49 第7章 ECAE 处理对 GCr5 钢微观组织及摩擦性能影响 49-65 7.1 试验设备与方法 49-53 7.1.1 试验设备 49 7.1.2 试验材料的制备 49-51 7.1.3 试验方法 51-53 7.2 ECAE 处理对GCr5 钢微观组织的影响 53-56 7.2.1 高温下金属流动性分析 53-54 7.2.2 GCr5 钢的显微组织及硬度 54-56 7.3 ECAE 处理对GCr5 钢摩擦磨损性能的影响 56-65 7.3.1 摩擦性能 56-58 7.3.2 磨损性能 58-60 7.3.3 磨损形貌 60-63 7.3.4 本章小结 63-65 第8章 结论与展望 65-67 8.1 研究结论 65 8.2 展望 65-67 参考文献 67-71 附录A Marc分析流程 71-75 致谢 75-76 攻读硕士学位期间的研究成果 76
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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属压力加工 > 挤压 > 挤压工艺 > 工艺规程及工艺参数
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