CuW70合金强塑性ECAP的有限元分析及验证

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钨铜假合金因其良好的导电、导热、抗熔焊及高温特性而被应用在电器、航空航天及特殊服役等领域。由于材料的失效多从表面开始,而表面强化则是无相变材料改善性能最佳的手段之一。本文就是通过等通道转角挤压对钨铜合金进行强塑性变形,以期获得表面呈纳/微米级的钨钢块体材料,达到提高钨铜材料综合性能的目的。  本文利用ABAQUS有限元法模拟ECAP挤压成形过程,研究在不同挤压温度、不同挤压转角条件下金属流变应力应变与变形温度、变形程度之间的关系;同时,结合实际的ECAP试验对模拟结果加以验证比较,得出钨铜类假合金材料界面结合机理及变形机制。研究结果表明:  1.CuW70合金的抗压强度随温度的升高而降低,室温、550℃及900℃下分别为1105.43MPa,331MPa,75.77MPa;摩擦系数在不同温度下依次为0.40,0.38,0.43;热膨胀系数随温度升高逐渐增大,分别为6.11×10-6℃-1,6.39×10-6℃-1,6.57×10-6℃-1;各向同性条件下泊松比均为常数0.3;弹性模量随温度升高依次减小但影响不大,分别为279GPa,265 GPa,248 GPa。  2.ABAOUS有限元法模拟ECAP挤压成形过程,发现模拟转角为90°于CuW70合金室温下等效应力最大值为1001 MPa,小于材料抗压强度极限1105.43MPa,550℃为311MPa,当温度升高至900℃时只有68 MPa;而转角为135°时各对应温度下的等效应力最大值依次为716.9 Mpa,208 MPa,32 MPa。另外,90。转角时最大等效应变值稳定在0.5~0.7左右,当拐角增大至135°时则下降至0.2~0.4范围。可见,挤压温度及转角是影响材料内部应力应变发生变化的重要因素,随着温度的升高、挤压转角的增大,材料变形抗力变小。  3.W-Cu合金为两相互不溶解的假合金,W、Cu两相各自的变形机理存在差异,在模具拐角处大剪切应力作用下,表现为“抗压不抗拉”的钨钢合金外圆弧处的软相铜相首先、被拉长断摔,而圆弧内侧则是镶嵌在铜相内部相对体积较小的钨颗粒首先挤压碎化变小。  4.ECAP验证试验与有限元模拟结果中出现较大等效应力应变分布区域基本吻合,证明了模拟模型的可靠性。ECAP对材料表面晶粒细化程度超过试样内部且变形过程中材料内部受力并不均匀,在变形过程中表面受力最大,其心部较表面受力明显较低,这一结果也与试样不同位置呈现出的应变分布规律相一致,即通道内侧圆弧附近的塑性变形最大,外侧圆弧处则次之,而中心部位变形量相对于表面变形幅度较小。  5.无论模具转角是较小的90°或者是较大转角135°,又或者挤压温度由室温升至中温再到高温,ECAP实验均导致断裂。钨铜合金等通道转角挤压断裂的根本原因一方面在于钨与铜只是机械结合,不是冶金结合,致使其界面结合强度低;另一方面,粉末冶金制备的合金都存在一定的孔隙率和微裂纹,在随后的大变形作用力下往往成为裂纹的策源地。
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