TC4鈦合金板材高能率成形的動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、鈦合金由于具有高比強(qiáng)度，高韌性，良好的減重效益和優(yōu)異的耐腐蝕性能，使其集中應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。而TC4鈦合金在整個(gè)鈦合金應(yīng)用中占到60％。TC4鈦合金在室溫和準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率條件下成形性能差，易出現(xiàn)斷裂等成形失敗現(xiàn)象。高速成形是解決難變形材料成形問題的途徑之一。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家973項(xiàng)目的資助下，開展了基于電磁脈沖成形工藝，針對(duì)TC4鈦合金板材，高速變形規(guī)律、工藝適應(yīng)性、成形極限、變形機(jī)理及動(dòng)態(tài)變形效應(yīng)等方面的研

2、究。
　　首先用有限元模擬技術(shù)，分析在驅(qū)動(dòng)片作用下，TC4鈦合金成形的可行性。分析中采用多物理場(chǎng)有限元軟件ANSYS和非線性有限元軟件ABAQUS相結(jié)合，根據(jù)電磁脈沖成形的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)的有限元耦合算法，有效地模擬了高導(dǎo)電驅(qū)動(dòng)片推動(dòng)下的電磁脈沖TC4鈦合金板材的成形過程。由于數(shù)值模擬中考慮了板材的變形過程對(duì)磁場(chǎng)的影響，并通過用戶子程序使結(jié)構(gòu)場(chǎng)的變形數(shù)據(jù)與電磁場(chǎng)的電磁力數(shù)據(jù)能在ABAQUS與ANSYS軟件之間交互傳送，使模

3、擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比有較好的一致性。
　　驅(qū)動(dòng)片對(duì)實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金的電磁脈沖成形至關(guān)重要，作者通過數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸的驅(qū)動(dòng)片對(duì)能量利用率及工件變形均勻性的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動(dòng)片的厚度小于趨膚深度時(shí)，驅(qū)動(dòng)片越厚，所受電磁力越大，且采用高導(dǎo)電性，易變形的材料作為驅(qū)動(dòng)片，可以有效減少驅(qū)動(dòng)片塑性變形所消耗的能量而提高工件的成形效果。
　　為了繪制關(guān)于TC4鈦合金板材在高應(yīng)變速率下的成形極限圖，設(shè)計(jì)用正方形、

4、十字形和腰形的試樣結(jié)構(gòu)，分別獲得雙向拉伸、單向拉伸和平面應(yīng)變?nèi)N應(yīng)變狀態(tài)。用這種方法測(cè)得了TC4鈦合金板材在高速率成形條件下的成形極限圖。當(dāng)處于平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，其成形性能比準(zhǔn)靜態(tài)條件下提高了73.65％，而處于雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，成形性能提高了24.37％。驅(qū)動(dòng)片作用下的高速變形所引起的慣性效應(yīng)是其成形性能提高的主要原因。
　　通過對(duì)經(jīng)高速率變形后TC4鈦合金板材的微觀組織變化的觀察，揭示其變形機(jī)理及損傷狀態(tài)，分析高速率成形過程對(duì)

5、TC4鈦合金板材塑性變形以及成形后工件服役性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)加載下，TC4鈦合金板材的晶粒被拉長(zhǎng)但尺寸變化不明顯。在驅(qū)動(dòng)片的沖擊作用下導(dǎo)致工件硬度分布不均，但織構(gòu)沒有明顯變化。變形過程，除了位錯(cuò)滑移機(jī)制外，孿生機(jī)制也被激活，且孿生面為(1011)，有利于塑性變形，但數(shù)量較少。斷口形貌分析表明材料的斷裂模式為韌性斷裂與剪切斷裂相結(jié)合的復(fù)合型斷裂；而準(zhǔn)靜態(tài)下為典型的韌性斷裂。
　　為確定TC4鈦合金板材的應(yīng)變率敏感速度域，采用

6、了一種脹環(huán)式的試樣環(huán)，測(cè)試材料在不同應(yīng)變速率下的成形性能。對(duì)于鈦合金試驗(yàn)用了一個(gè)鋁合金試樣環(huán)作為驅(qū)動(dòng)環(huán)。研究表明，當(dāng)變形速度在2mm/min（即準(zhǔn)靜態(tài)）時(shí)，TC4鈦合金的應(yīng)變率為6.67×10-4/s，均勻應(yīng)變達(dá)到εu=0.102，但當(dāng)變形速度超過準(zhǔn)靜態(tài)速度達(dá)到46.7m/s時(shí)，其均勻應(yīng)變只達(dá)到εu=0.032。但是隨著變形速度的上升，其均勻應(yīng)變也成正比的增加。直到變形速度超過286m/s后，其均勻應(yīng)變才超過準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)的均勻應(yīng)變，達(dá)到εu