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法向压力加载方式对板材塑性变形行为的影响研究

作　者: 王哲
导　师: 王忠金
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 板材成形性能粘性介质双向压力胀形法向压力损伤因子
分类号: TG302
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在现代工业领域,提高轻合金板材成形性能研究成为板料成形技术的前沿问题之一。板材的成形性能与成形过程的应力状态密切相关,通过向板材施加法向压力,可以削弱板材微观结构受拉状态,抑制材料内部裂纹的产生和发展,是提高板材塑性的一种有效方法。半固态的粘性介质具有易于密封、可完全包络变形板材表面的特点,产生作用于整个变形区域的高压,可以充分发挥法向压力对板材成形性的提高作用,从而达到提高板材成形性的目的。本文提出板材粘性介质双向压力胀形方法,针对板材粘性介质双向压力胀形中的关键问题开展深入系统的研究,为板材双向压力成形技术的发展和应用奠定基础。首先,基于应力成形极限准则给出的考虑法向应力影响的板材应变成形极限预测模型——成形极限提高因子,针对制约法向应力提高板材成形性的几种因素,通过对板材双向压力胀形过程进行解析分析,建立理想法向压力加载曲线。结果表明,所需法向压力加载曲线与材料真实应力-应变曲线密切相关,据此提出可调压力的法向压力加载试验方法——覆层板粘性介质压力胀形和板材双侧加载粘性介质压力胀形。其次,在理论分析基础上选择Al1060作为目标板材,1Cr18Ni9Ti作为覆板材料进行了包括无覆板铝板、有覆板(板间有润滑)和有覆板(板间无润滑)铝板的三组粘性介质压力胀形试验。然后根据覆层板粘性介质压力胀形试验确定法向压力加载范围,以Al1060作为目标板材进行了不同背压大小的双侧加载粘性介质压力胀形试验研究。通过试验研究分析比较了不同法向压力加载条件和界面摩擦条件对板材极限胀形高度、几何形状和应变分布的影响。随后,对板材双向压力胀形过程进行有限元分析,研究法向压力加载方式对板材变形行为的影响。对于施加覆板的粘性介质压力胀形,通过改变覆板材料的强度系数K值和硬化指数n值改变覆板提供的法向压力大小和分布特征,分析法向压力大小与分布对板材变形行为的影响规律;通过改变层叠板材之间界面摩擦系数分析法向压力接触条件对板材变形行为的影响。对于板材双向加载粘性介质压力胀形过程,分析了背压大小、加载速度、粘性介质切向粘附力和粘性介质性能对板材变形行为的影响,着重分析了粘性介质向板材提供压力场不均匀分布的原因及其影响因素。为揭示法向应力提高板材塑性的原因,用扫描电子显微镜(SEM)对无覆板和有覆板铝板胀形件断口形貌进行观察,用光学金相显微镜和透射电镜对材料的微观组织、位错组态和亚晶进行了对比分析,然后还利用粘性介质压力胀形试验对有覆板胀形件的力学性能进行评测。研究结果表明,法向应力通过抑制空洞沿板材壁厚方向的扩展和连接,大幅度提高板材极限塑性变形能力,有覆板铝板胀形件变形到一定程度后通过发生回复释放变性能,减小晶界及晶胞内部的位错密度,使微裂纹难以在晶界处形成,改善了变形微观组织,削弱了力学性能的各向异性。最后,利用现有细观力学模型计算了胀形试件断裂位置空穴尺寸和空穴体积百分比的变化规律,并通过与SEM观测结果进行对比对三维应力条件下空穴扩张模型提出了改进要求。对Al10060不同韧性断裂模式所对应的应力三轴度区域进行划分。利用实验与数值模拟相结合的方法在( )εf ?σmσ空间内建立成形极限曲线,并给出损伤因子模型,根据该模型对覆层板粘性介质压力胀形和板材双侧加载粘性介质压力胀形的成形极限进行了预测并与试验结果进行了比较,结果表明,该模型能够准确预测双向压力作用下板材的成形极限,包括破裂位置和极限胀形高度。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第1章绪论  16-37
  1.1 引言  16-17
  1.2 法向压力对板材成形性影响研究现状  17-20
    1.2.1 静水压力对金属塑性影响  17-19
    1.2.2 法向压力对板材成形性影响  19-20
  1.3 三维应力条件下板材成形极限预测方法  20-30
    1.3.1 塑性变形拉伸失稳理论  21-22
    1.3.2 应力成形极限  22-25
    1.3.3 韧性断裂准则  25-30
  1.4 板材双向加压成形方法研究现状  30-35
    1.4.1 液态双向压力成形  30-32
    1.4.2 气态双向压力成形  32-33
    1.4.3 半固态双向压力成形  33-35
  1.5 本课题研究的意义及主要研究内容  35-37
第2章板材双向压力胀形过程理论分析与法向压力加载试验方案  37-57
  2.1 引言  37
  2.2 成形极限提高因子  37-43
    2.2.1 原始模型  37-41
    2.2.2 改进模型  41-43
  2.3 应力成形极限准则的广义应用  43-46
  2.4 制约法向应力提高板材成形性的主要因素  46-47
  2.5 法向压力施加方法的解析分析  47-53
  2.6 可调压力的法向压力加载试验方案  53-55
  2.7 本章小结  55-57
第3章板材双向压力胀形试验研究  57-70
  3.1 引言  57
  3.2 施加覆板的板材粘性介质压力胀形试验研究  57-62
    3.2.1 试验材料  57-58
    3.2.2 试验原理  58
    3.2.3 试验结果与分析  58-62
  3.3 板材双侧加载粘性介质压力胀形试验研究  62-69
    3.3.1 实验设备  62
    3.3.2 试验方案与步骤  62-66
    3.3.3 试验结果与分析  66-69
  3.4 本章小结  69-70
第4章板材双向压力胀形过程有限元分析  70-104
  4.1 引言  70-71
  4.2 施加覆板的板材粘性介质压力胀形过程有限元分析  71-83
    4.2.1 有限元分析模型与方案  71-75
    4.2.2 法向压力对板材胀形的影响  75-79
    4.2.3 界面接触条件对板材胀形的影响  79-82
    4.2.4 法向压力加载曲线对板材胀形的影响  82-83
  4.3 板材双侧加载粘性介质压力胀形有限元分析  83-102
    4.3.1 有限元分析模型与方案  83-84
    4.3.2 背压大小对板材胀形的影响  84-86
    4.3.3 粘性介质切向粘着应力对板材胀形的影响  86-88
    4.3.4 加载速度对板材胀形的影响  88-90
    4.3.5 粘性介质性能对板材胀形的影响  90-93
    4.3.6 粘性介质压力不均匀分布的原因及影响因素分析  93-102
  4.4 本章小结  102-104
第5章法向压力对冷轧铝板断裂行为和微观组织演化的影响  104-127
  5.1 引言  104
  5.2 法向压力对冷轧 Al1060 断裂行为影响  104-114
    5.2.1 试验方法及试样制备  104-107
    5.2.2 断口形貌  107-112
    5.2.3 法向压力提高铝板成形性的细观机理  112-114
  5.3 法向压力对冷轧 Al1060 微观组织演化影响  114-125
    5.3.1 试样制备  114-116
    5.3.2 微观组织形貌  116-118
    5.3.3 位错组态与亚晶  118-124
    5.3.4 法向压力对微观组织演化影响分析  124-125
  5.4 冷轧 Al1060 胀形后的力学性能  125-126
  5.5 本章小结  126-127
第6章法向压力对板材胀形过程微观结构损伤影响分析  127-145
  6.1 引言  127-128
  6.2 双向压力作用下板材空穴扩张规律  128-136
    6.2.1 试验方法  128
    6.2.2 非耦合有限元分析  128-131
    6.2.3 空穴扩张细观力学模型  131-133
    6.2.4 三维应力状态下空穴扩张的数值计算与试验验证  133-136
  6.3 法向压力对板材韧性断裂模式的影响  136-138
  6.4 三维应力条件下板材损伤演化及成形极限预测  138-144
    6.4.1 在εf? (σm σ) 空间建立成形极限曲线  138-141
    6.4.2 板材双向压力胀形过程损伤演化与成形极限预测  141-144
  6.5 本章小结  144-145
结论  145-148
参考文献  148-158
攻读博士学位期间发表的学术论文  158-160
致谢  160-161
个人简历  161

法向压力加载方式对板材塑性变形行为的影响研究

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