纯钛及钛合金强力旋压损伤演化规律及韧性断裂预测

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:haobishuiduo
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旋压成形技术作为制造大型薄壁回转类零件最有效的工艺方法,已越来越多的应用于纯钛及钛合金的塑性成形过程。但是,纯钛及钛合金属于难变形金属,在旋压过程中容易产生韧性断裂,严重制约了纯钛及钛合金旋压技术的应用。本文针对纯钛及钛合金强力旋压成形过程中的韧性断裂问题,研究了TA2纯钛在不同应力状态下的韧性断裂行为,利用韧性断裂准则预测了TA2纯钛筒形件可旋性试验和板材可旋性试验的旋压极限及损伤演化过程,揭示了筒形件和板材可旋性试验中旋压破裂的韧性断裂机制。针对Ti-15-3钛合金筒形件强旋过程中的表面开裂现象,研究了减薄率对筒形件内外层损伤演化的影响,揭示了低塑性材料筒形件强旋的韧性断裂机制。开展了TA2纯钛不同应力状态下的韧性断裂实验,分析了不同应力状态下塑性变形的特点,研究了应力状态改变对TA2纯钛韧性断裂行为的影响。在高应力三轴度下,随着应力三轴度的增加,材料的断裂应变逐渐减小。负应力三轴度下压缩试验的断裂应变最大。低应力三轴度下纯剪切试验的断裂应变较小,仅高于缺口半径R2的圆棒拉伸试验的断裂应变。将韧性断裂准则耦合到有限元软件ABAQUS中,预测了TA2纯钛不同应力状态下韧性断裂试验的损伤分布,确定了各个韧性断裂准则的适用范围,并获得了各个韧性断裂准则在不同应力状态下的损伤极限。开展了TA2纯钛筒形件的可旋性试验研究,确定了裂纹的萌生位置及其筒形件强力旋压的可旋性。利用韧性断裂准则预测了TA2纯钛可旋性试验的损伤分布。结果表明,除了Ayada准则和Freudenthal准则,其他准则都可以预测TA2纯钛管材的外表面裂纹萌生。研究了应变、应力状态等因素对TA2纯钛可旋性试验韧性断裂的影响。根据旋压变形应力应变呈周期性变化的特点,提出了周期应力三轴度和周期罗德系数概念,分析了断裂位置内外层金属的应力状态随旋压过程的演化规律。研究结果表明,断裂位置的最外层金属由于高应力三轴度和大塑性变形的影响在旋压过程中最有可能首先开裂。研究了网格高宽比对韧性断裂准则预测精度和损伤累积的影响。在所有选用的准则中,C-L准则具有最高的预测精度并且受网格高宽比改变的影响较小,而网格高宽比对R-T准则和MC准则的预测精度有很大影响。此外,相比于压缩试验,拉伸试验预测的筒形件可旋性数值更接近实验值,相应的预测精度也高于压缩试验。针对Ti-15-3钛合金筒形件强旋中的破裂情况,进行了不同减薄率下的损伤演化预测,研究了低塑性材料筒形件强旋过程中表面裂纹的产生机制。对于本文使用的韧性断裂准则,只有McClintock准则的预测规律与试验结果相符。由于同时考虑了第一主应力和第二主应力对损伤累积的影响,在中间减薄率下,McClintock准则捕捉到了最内层金属第二主应力在隆起变形阶段和减薄变形阶段的符号变化,从而预测了一个可以消除Ti-15-3表面裂纹的减薄率安全区域。进行了TA2纯钛板材可旋性试验研究和损伤预测研究。分析了应力、应力状态等因素对TA2纯钛板材可旋性试验韧性断裂行为的影响。结果表明,最大剪切应力对内层金属的韧性断裂影响较小,但内层金属在整个成形过程中具有较高的应力三轴度。虽然外层金属的应力三轴度低于内层,但是外层金属具有高于内层的等效塑性应变,并且最大剪切应力对外层金属的韧性断裂影响显著。因此,对于本文所选用的韧性断裂准则,主要考虑最大主应力或应力三轴度对韧性断裂影响的模型,其预测的最大损伤值出现在旋压板材的内层,与实验不符。只有Freudenthal,LeRoy以及Lou和Yoon提出的韧性断裂准则,可以预测TA2纯钛板材可旋性试验中外层金属的裂纹萌生。
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