純鉬粉末材料等徑角擠壓成形致密及模擬優(yōu)化研究.pdf

1、大塑性變形法(SPD)是制備塊體超細(xì)晶材料的一種新型塑性加工技術(shù)，而等徑角擠壓(ECAP)被公認(rèn)為是一種發(fā)展最為迅速、極具工程應(yīng)用前景的大塑性變形法。粉末冶金材料的塑性成形致密一直是材料領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。目前，等徑角擠壓(ECAP)應(yīng)用于粉末冶金材料的相關(guān)研究尚處于起步階段，特別是高熔點(diǎn)、低塑性、難變形的粉末材料的ECAP應(yīng)用還鮮見相關(guān)報(bào)道。粉末材料的塑性成形能力差、變形機(jī)理及致密機(jī)制尤為復(fù)雜，從而限制了ECAP在該領(lǐng)域內(nèi)的研究與應(yīng)用。鑒

2、此，本文采用理論基礎(chǔ)研究、塑性力學(xué)解析、數(shù)值模擬分析、實(shí)驗(yàn)研究等相結(jié)合的方法，全面深入地研究純鉬粉末材料在ECAP過程中的變形機(jī)理、致密行為，從而為ECAP工藝在該領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，提供必要的理論依據(jù)及借鑒。
　　 針對(duì)鉬及其粉末材料的特點(diǎn)，研究了不同因素對(duì)純鉬粉末燒結(jié)體材料塑性壓縮變形行為的影響規(guī)律。其塑性流變應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增加，隨成形溫度的升高而減小;高溫條件下材料軟化現(xiàn)象占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，其流變應(yīng)力較低;初始相對(duì)密度增

3、大，材料流變應(yīng)力隨之逐漸增加，材料屈服強(qiáng)度越高，但出現(xiàn)破裂時(shí)間亦越早。材料硬度增加速率對(duì)溫度變化不敏感，但提高溫度則有利于降低其屈服強(qiáng)度;壓縮變形時(shí)，燒結(jié)體內(nèi)孔隙和顆粒形變發(fā)生雙重影響，使得材料逐漸致密，但單軸壓縮并不能使材料完全致密。
　　 基于粉末材料的“可壓縮連續(xù)體”假設(shè)及對(duì)現(xiàn)有各種屈服條件式的比較分析，建構(gòu)了可壓縮系數(shù)g表達(dá)的純鉬粉末體剛塑性本構(gòu)關(guān)系，給出了各參數(shù)間的量化關(guān)系式。合理分析了該本構(gòu)關(guān)系式的應(yīng)用范圍，為進(jìn)行粉

4、末體材料的塑性成形研究、成形工藝的控制、模擬建模分析等提供一定借鑒作用，同時(shí)豐富和拓展了粉末冶金材料廣義塑性理論。
　　 全面研究了等徑角擠壓(ECAP)的塑性成形力學(xué)問題。運(yùn)用滑移線法、幾何推導(dǎo)法以及上限法，解析了ECAP的成形工藝，對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)、擠壓力等進(jìn)行了定量分析;考慮了摩擦的影響，在三維狀態(tài)下對(duì)ECAP擠壓力進(jìn)行了全面解析。同時(shí)，針對(duì)“背壓”對(duì)ECAP工藝的影響，運(yùn)用滑移線法求解了帶背壓的ECAP擠壓力，對(duì)等

5、徑角擠壓的背壓問題的理論研究進(jìn)行了有益嘗試。
　　 建立了用于純鉬粉末體材料塑性成形的熱力耦合有限元模型?；谠撃Ｐ?，對(duì)不同模具結(jié)構(gòu)、不同初始條件下的純鉬粉末燒結(jié)體材料成形致密進(jìn)行模擬研究，獲得ECAP過程中擠壓力、應(yīng)力-應(yīng)變、相對(duì)密度、溫度等場(chǎng)量分布規(guī)律。模擬結(jié)果表明，模具內(nèi)、外角對(duì)材料的剪切變形作用是成形致密的主要?jiǎng)右?。盡管一道次擠壓變形分布呈現(xiàn)不均勻性，但ECAP工藝對(duì)于純鉬粉末體材料具有良好的致密效果。
　　 系

6、統(tǒng)地分析了不同工藝參數(shù)對(duì)純鉬粉末體材料ECAP成形致密的影響程度。適當(dāng)增大摩擦可以提高變形均勻性和致密化程度;較高的成形溫度可降低材料的硬化性能，降低成形壓力，提高變形均勻性和致密效果，但對(duì)組織細(xì)化不利。初始相對(duì)密度較小的試樣，ECAP時(shí)易于導(dǎo)致孔隙被壓制、致密。擠壓速度大，其對(duì)坯料產(chǎn)生擠壓效應(yīng)明顯，使得粉末體顆粒間壓擠、形變速率加大，致密效果較好，但擠壓速度與擠壓力幾乎成正比。建議選擇相對(duì)較小的初始相對(duì)密度、擠壓速度、適中的摩擦因子，

7、以保護(hù)工裝模具、延長設(shè)備使用壽命。
　　 進(jìn)行了純鉬粉末燒結(jié)體材料不同擠壓路徑的多道次模擬研究。結(jié)果表明，路徑Bc經(jīng)過4道次擠壓后，試件四個(gè)面均受到剪切，內(nèi)部變形分布均勻，是獲得變形效果和致密均勻性的最佳擠壓路徑。C路徑ECAP時(shí)，從Y向看變形分布趨于對(duì)稱和均勻。經(jīng)過偶數(shù)(2n)道次擠壓后，路徑C的形變均勻程度要明顯的優(yōu)于路徑A;路徑A的整體致密化程度要高于路徑BA。
　　 闡述了幾種常用的背壓方式及其作用，進(jìn)行了兩類背

8、壓設(shè)計(jì)的ECAP工藝的模擬研究。施加背壓的大小，總體上與試樣成形致密成正比。背壓過大，會(huì)在小的外角模具產(chǎn)生“死區(qū)”，所需擠壓力亦越大。第一類背壓設(shè)計(jì)更符合ECAP成形特征，有利于整體變形致密、均勻，應(yīng)優(yōu)先選擇。
　　 設(shè)計(jì)了用于純鉬粉末材料等溫ECAP的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呒凹訜嵩O(shè)備，進(jìn)行了粉末燒結(jié)體-包套、粉末-包套及帶背壓粉末燒結(jié)體-包套等三種條件下ECAP擠壓實(shí)驗(yàn)，并與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。1道次粉末燒結(jié)體-包套ECAP后，試樣

9、內(nèi)部的變形及密度分布不均勻，除靠近底部區(qū)域材料，其余部分的變形及孔隙焊合效果較好，且試樣整體平均相對(duì)密度較高，說明ECAP具有強(qiáng)烈的致密效果。ECAP后，主要變形區(qū)內(nèi)試樣顯微硬度大幅提高，且不同擠壓路徑、擠壓溫度、初始相對(duì)密度等對(duì)試樣所獲的硬度具有不同程度的影響。多道次ECAP顯微組織的掃描電鏡結(jié)果亦表明，ECAP對(duì)粉末燒結(jié)體材料具有極強(qiáng)的焊合作用和細(xì)化效果。經(jīng)過1道次擠壓后，試樣主要變形區(qū)孔隙大部已經(jīng)閉合，經(jīng)2道次擠壓后，試樣接近理論

10、壓實(shí)密度，同時(shí)晶粒被明顯細(xì)化。
　　 1道次ECAP對(duì)純鉬粉末-包套的致密化影響較小，主要發(fā)生顆粒重排、彈塑性變形等行為;經(jīng)過2道次以上的ECAP后，試樣致密化程度明顯提高且主變形區(qū)域近全致密。運(yùn)用自制簡易背壓器，進(jìn)行了1道次帶背壓ECAP實(shí)驗(yàn)研究。背壓能增加靜水壓力，使材料產(chǎn)生較大剪切變形，促進(jìn)顆粒破碎、熔融、焊合，從而提高粉末材料的成形致密效果。當(dāng)使用常規(guī)直角模具進(jìn)行純鉬粉末燒結(jié)體材料的ECAP時(shí)，背壓合理選擇范圍是20-3