奧氏體不銹鋼電輔助壓印成形工藝建模與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微通道反應(yīng)器、微通道換熱器等微細(xì)結(jié)構(gòu)可以顯著提高產(chǎn)品性能和減小結(jié)構(gòu)尺寸，在能源、化工、半導(dǎo)體照明等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。微細(xì)結(jié)構(gòu)的高效高精度加工是制約這類產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用的主要難點(diǎn)之一。電輔助成形能有效地降低金屬材料塑性變形抗力，是實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)高效加工的新型成形技術(shù)。但在電輔助成形工藝過程中，由于高密度電流不僅通過工件溫升效應(yīng)間接地降低材料的屈服應(yīng)力，而且還借助于電致塑性效應(yīng)直接降低材料的屈服應(yīng)力，特別是奧氏體不銹鋼這類伴隨應(yīng)變誘導(dǎo)固態(tài)

2、相變現(xiàn)象的材料，電流影響的機(jī)理更加復(fù)雜?，F(xiàn)有的成形工藝分析模型，主要考慮電熱溫升效應(yīng)對(duì)材料屈服應(yīng)力的影響，不能考慮高密度電流直接激發(fā)位錯(cuò)滑移而引起的電致塑性效應(yīng)影響，導(dǎo)致電輔助成形過程材料流變預(yù)測精度低，工藝設(shè)計(jì)困難。
　　本文圍繞奧氏體不銹鋼316L微細(xì)壓印成形工藝過程，開展了電輔助壓印成形工藝的數(shù)值建模和實(shí)驗(yàn)研究。首先通過材料拉伸實(shí)驗(yàn)研究高密度電流對(duì)材料流變應(yīng)力的影響規(guī)律，并構(gòu)建結(jié)合考慮材料溫升效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)

3、關(guān)系；建立電輔助微細(xì)壓印成形過程的仿真分析模型，定量地分析成形工藝參數(shù)對(duì)微細(xì)成形特征尺寸的影響規(guī)律；建立微細(xì)結(jié)構(gòu)電輔助壓印工藝實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過微細(xì)特征的壓印成形實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的有效性和成形工藝可行性。論文工作包括以下幾個(gè)方面：
　　1)高密度電流對(duì)奧氏體不銹鋼屈服應(yīng)力的影響規(guī)律
　　針對(duì)電輔助成形過程，電熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)并存的現(xiàn)象，集成高密度電流發(fā)生器與材料拉伸性能實(shí)驗(yàn)測試儀，設(shè)計(jì)了金屬材料電輔助拉伸性能測試系統(tǒng)，提出溫升

4、效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)解耦的金屬材料屈服應(yīng)力及微觀組織的測試方法，揭示了奧氏體不銹鋼電輔助拉伸過程屈服應(yīng)力的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高密度電流不僅通過電熱溫升效應(yīng)促進(jìn)位錯(cuò)的滑移，減小材料的剪切模量，提高馬氏體相變所需機(jī)械驅(qū)動(dòng)力，延后馬氏體相變的發(fā)生，從而降低奧氏體不銹鋼屈服應(yīng)力，而且還通過電致塑性效應(yīng)更進(jìn)一步地直接促進(jìn)位錯(cuò)的滑移，降低奧氏體不銹鋼屈服應(yīng)力，并進(jìn)一步抑制應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變的發(fā)生。
　　2)高密度電流作用下奧氏體不銹鋼成形

5、的本構(gòu)關(guān)系
　　綜合位錯(cuò)滑移、固溶強(qiáng)化和應(yīng)變誘導(dǎo)相變理論，建立了基于各向同性強(qiáng)化的奧氏體不銹鋼電輔助成形過程的屈服應(yīng)力模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出反映高密度電流和材料溫升促進(jìn)位錯(cuò)滑移，增強(qiáng)位錯(cuò)存儲(chǔ)和恢復(fù)，延遲和抑制應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變等現(xiàn)象的模型參數(shù)，定量地描述電熱溫升效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響，為電輔助成形工藝分析提供基礎(chǔ)。
　　3)考慮電熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)的微細(xì)壓印電輔助成形過程仿真模型
　　針對(duì)電輔助成形

6、中電熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)相互耦合的特點(diǎn)，建立了基于Abaqus的電輔助壓印成形過程的“電-熱-結(jié)構(gòu)”多場耦合模型。該模型利用所開發(fā)的Fortran子程序提取工件內(nèi)部電流密度分布信息，通過定義場變量的方法將電流密度信息引入材料屈服應(yīng)力的更新求解過程，從而實(shí)現(xiàn)電輔助成形工藝過程的仿真。借助該仿真模型，分析了微細(xì)槽型結(jié)構(gòu)壓印成形過程的材料塑性變形規(guī)律，高密度電流和工件材料溫升均減少了有效應(yīng)力和相變硬化率，增大了工件內(nèi)部各處的塑性變形程度，減少

7、了馬氏體生成。研究表明：在受壓力較小的區(qū)域，電流影響以減小屈服應(yīng)力為主；在受壓力較大而且塑性變形量較大的區(qū)域，電流在增大塑性變形量的同時(shí)也減小屈服應(yīng)力；在受壓力較大但塑性變形量較小的區(qū)域，電流影響則以增大塑性變形量為主。
　　4)電輔助微細(xì)壓印成形工藝實(shí)驗(yàn)研究
　　針對(duì)電輔助成形工藝在工件塑性變形過程中輔以高密度電流刺激的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的壓機(jī)和模具組成的成形工藝系統(tǒng)中集成高密度電流發(fā)生器，并開展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。通過多種工藝參

8、數(shù)下流道成形深度和微觀結(jié)構(gòu)變化的工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證前述工藝仿真模型的有效性與準(zhǔn)確性，說明了電致塑性效應(yīng)等高密度電流對(duì)屈服應(yīng)力的直接影響在電輔助成形工藝過程數(shù)值分析中的必要性。
　　通過上述研究，建立了不銹鋼材料電輔助成形材料本構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了電流與溫度的瞬時(shí)作用和累積作用的定量分析；提出了電輔助成形工藝“電-熱-結(jié)構(gòu)”多場耦合仿真分析方法，研究了電流參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律，開展了壓印成形實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電輔助壓印成