钨合金微观力学行为与去除机理研究

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由于钨合金具有耐腐蚀、防辐射、硬度高、冲击性能好等物化特性,被广泛的用于航空航天、军事国防、核工业等重要领域。随着人们对钨合金需求不断扩大,对钨制品的质量、精度、表面完整性等要求也相应提高,因此针对钨合金制造、加工、测试方面的相关研究具有重要意义。本文针对钨合金材料,借助光学显微镜、Hystron压痕实验仪、Hopkinson压杆等实验设备,从微观、宏观、准静态、动态等方面展开了相关力学性能测试,同时利用相关理论,通过有限元等软件对测试过程进行了数值仿真,仿真结果与实验数据保持了较好的一致性,基于两者的对比分析结果,深入研究了钨合金的粘塑性力学特性。基于温度、应变、应变率等多因素耦合作用下钨合金的应力应变曲线,拟合得到了相应的本构模型,在有限元软件中,通过本构模型对钨合金材料属性进行定义,以数值仿真的形式对钨合金磨削去除过进行模拟,建立了相应的单磨粒、多磨粒等模型,对比了普通磨削与超声振动磨削之间的区别,研究了不同磨削工艺对磨削力的影响。主要包括以下内容:(1)对钨合金微观组织结构进行了分析,确定了钨合金主要由钨颗粒与粘结相构成。针对钨合金粘结相,开展了压痕实验,确定了粘结相在微观条件下的准静态粘塑性属性。随着压痕尺度延伸至纳米级,钨合金粘结相表面存在粘着接触现象,进一步开展了钨合金粘结相微纳米接触仿真,粘附力对接触过程中产生的力位移曲线、应力应变分布、表面压力分布等有显著影响,仿真结果表明粘附力会引发接触失稳,改变接触区的应力、应变、表面压力等物理场的分布情况,同时力位移曲线受第一次加载的影响最为明显。(2)基于Hopkinson压杆实验装置,开展了钨合金动态在应变率为1000~5000 s-1、温度为20~500℃范围内的力学测试,测试结果表明,钨合金为应变率敏感性材料,在不同应变率条件下钨合金的流动应力会发生改变,同时初始温度条件会显著改变钨合金的力学性能。在相同载荷下,室温条件下钨合金的流动应力会显著高于300℃与500℃条件下的流动应力,同时随着温度的增加,即便是在相同载荷条件下,钨合金的变形量也会增加。利用钨合金应力应变曲线,拟合得到了Jonson-Cook和Mechanical threshold stress本构模型,模型预测值表明由于塑性变形钨合金会发生明显的软化现象,而且Jonson-Cook本构受温度软化的影响更为明显,对应变率也更为敏感。(3)建立了相应的单磨粒、多磨粒磨削仿真模型,开展了钨合金磨削去除机理研究。仿真结果表明,普通磨削过程中,磨粒半径、磨削深度对磨削力影响较大,磨削速度对切向力与法向力的影响较小。超声振动磨削会使磨屑更容易断裂,能显著降低磨削力,振动振幅对切向力和法向力的影响大于振动频率和转速的影响,并且不同磨削工艺对磨削力的影响在单磨粒与多磨粒仿真磨削中保持一致。
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