金屬板材高能率成形的動力學行為研究

《金屬板材高能率成形的動力學行為研究》是依託華中科技大學，由莫健華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：金屬板材高能率成形的動力學行為研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：莫健華
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

航空航天工業發展，汽車製造業輕量化發展的趨勢迫切需求高強度輕質合金材料製造的零件，但傳統成形技術遇到了高強度輕質合金難成形的瓶頸。而高能率成形是解決高強度輕合金加工難題的有效方法。本課題從電磁脈衝形成的高能率成形過程金屬板材的動態回響角度展開研究，研究金屬材料在高速成形中的變形機理，板材在高能率成形中的失穩方式，建立層裂損傷模型，確定材料本構參數及損傷模型閾值，建立高能率成形下材料的本構方程，為成形數值仿真提供可靠的材料模型。研究金屬板材高能率成形的成形性能，建立金屬板材成形極限圖，分析邊界條件對金屬板材成形性能的影響規律，探討高能率成形的最佳成形速度，建立最佳成形速度的經驗公式，為高能率成形設備的設計及成形工藝參數的選取提供理論依據。研究金屬板材高能率成形過程中組織演化規律，建立高能率成形工藝→組織→性能的關係，為金屬板材控形與控性一體化的高能率成形提供理論基礎。

結題摘要

鈦合金由於具有比強度高，韌性高，良好的減重效益和優異的耐腐蝕性能，使其集中套用於航空航天領域和生物醫學領域。TC4鈦合金在室溫和準靜態應變速率條件下成形性能差，易出現斷裂等成形失敗現象。高速成形是解決難變形材料的成形問題的途徑之一。本項目開展了基於電磁脈衝成形工藝，針對TC4鈦合金板材，高速變形規律、工藝適應性、成形極限、變形機理及動態變形效應等方面的研究。 首先用有限元模擬技術，分析在驅動片作用下，TC4鈦合金成形的可行性。分析中採用有限元軟體ANSYS和ABAQUS相結合，根據電磁脈衝成形的特點，實現電磁場、結構場的有限元耦合算法。由於數值模擬中考慮了板材的變形過程對電磁場的影響，並通過用戶子程式使結構場的變形數據與電磁場的電磁力數據能在ABAQUS與ANSYS軟體之間互動傳送，使模擬數據與實驗數據相比有較好的一致性。 為了繪製TC4鈦合金板材在高應變速率下的成形極限圖，用正方形、十字形和腰形的試樣結構，分別獲得雙向拉伸、單向拉伸和平面應變三種應變狀態，測得TC4鈦合金板材在高速率成形條件下，處於平面應變狀態時，其成形性能比準靜態條件下提高了73.65%，處於雙向拉伸應變狀態時，成形性能提高了24.37%。 通過對高速率變形後TC4鈦合金板材的微觀組織變化的觀察，揭示其變形機理及損傷狀態，分析高速率成形過程對TC4鈦合金板材塑性變形的影響以及對成形後工件服役性能的影響。研究發現在動態載入下，TC4鈦合金板材的晶粒被拉長但尺寸變化不明顯。在驅動片的衝擊作用下工件硬度分布不均，但織構沒有明顯變化。變形過程，除了位錯滑移機制外，孿生機制也被激活，有利於塑性變形，但數量較少。斷口形貌分析表明材料的斷裂模式為韌性斷裂與剪下斷裂相結合的複合型斷裂；而準靜態下為典型的韌性斷裂。 為確定TC4鈦合金板材的應變率敏感速度域，採用了一種脹環式的試樣環，測試材料在在不同應變速率下的成形性能。對於鈦合金試驗用了一個鋁合金試樣環作為驅動環。研究表明，當變形速度在2mm/min時，TC4鈦合金的應變率為6.67×10-4/s，均勻應變達到0.102，但當變形速度超過準靜態速度達到46.7m/s時，其均勻應變只達到0.032。直到變形速度超過286m/s後，應變率超過6935.6/s。因此，認為當變形速度達到V=286m/s或應變率達到6935.6/s，為TC4鈦合金材料塑性提高的閾值。