【摘 要】
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随着航空航天等领域轻量化及高性能要求的不断提升,结构效益显著的薄壁壳体零件的需求急剧上升。镁合金带内筋筒形件兼具材料及结构的双重轻量化优势,其制备工艺及成形理论的开发与完善将在尖端装备核心竞争力的提升方面发挥极大的推动作用。热强旋是制备镁合金等难变形材料薄壁筒形件最有效的方法之一。易形成的变形织构及其引起的力学性能各向异性是制约镁合金性能提升最主要的因素之一,而带内筋筒形件内筋结构独特性不仅为其热
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“镁合金带内筋筒形件热强旋成形及性调控基础研究”(项目编号:51775194)
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随着航空航天等领域轻量化及高性能要求的不断提升,结构效益显著的薄壁壳体零件的需求急剧上升。镁合金带内筋筒形件兼具材料及结构的双重轻量化优势,其制备工艺及成形理论的开发与完善将在尖端装备核心竞争力的提升方面发挥极大的推动作用。热强旋是制备镁合金等难变形材料薄壁筒形件最有效的方法之一。易形成的变形织构及其引起的力学性能各向异性是制约镁合金性能提升最主要的因素之一,而带内筋筒形件内筋结构独特性不仅为其热强旋成形带来不同于筒形件的新挑战,还将导致变形状态的不同,从而引起壁部及筋部织构的差异问题。因此,掌握热强旋过程中工艺参数对镁合金带内筋筒形件织构演变的影响、织构演变机理及织构对力学行为的影响等相关理论是实现高性能镁合金带内筋筒形件制备亟待解决的核心科学问题。本文以挤压态ZK61镁合金管坯为研究对象,着重研究镁合金热成形织构演变模型的构建、热强旋工艺参数对织构演变的影响、热强旋织构的演变机理及织构对旋压件力学性能的影响等问题。针对带内筋筒形件热强旋变形特点对物理模拟试验的要求,开展镁合金单向热压缩试验,构建镁合金热变形晶体塑性本构模型,并开发出该模型的时间积分算法及子程序;针对具有显著初始织构的旋压坯料,重构出具有微观组织及织构特征的多晶变形体几何模型,获得镁合金热成形晶体塑性有限元模型(CPFEM)的构建方法。针对镁合金热变形晶体塑性本构模型参数的确定及其可靠性验证问题,采用所构建的晶体塑性有限元模型对热压缩过程的细观变形进行模拟研究。针对热强旋工艺参数对织构演变的影响问题,构建出热强旋成形宏-细观耦合织构演变模型,对不同旋压工艺参数下的镁合金带内筋筒形件壁部及筋部变形织构进行预测及分析,获得工艺参数对织构演变的影响及织构演变机理;在以上理论研究的基础上,开展热强旋实验,对旋压微观组织、织构、力学性能进行测试,验证宏-细观模型对织构的预测能力,分析热强旋过程中微观组织及织构变化对力学性能的影响。在晶体塑性框架下,提出了一种改进的Voce硬化模型,通过引入中间应变硬化率因子描述镁合金热变形过程中显著的软化现象,实现对滑移及孪生变形系统硬化演变及晶粒取向转变的控制,完成镁合金热变形晶体塑性本构模型的构建及求解;借助ABAQUS有限元平台,通过构建晶体坐标系实现晶粒取向在宏观坐标系中的识别,对状态变量进行分配建立主程序与子程序之间数据交换的桥梁,开发出所构建的晶体塑性本构模型子程序。基于Voronoi理论的多晶体代表性体积单元建模结果表明:重构模型与实验结果具有相同的织构类型,且两者极图及反极图最大极密度强度的相对误差分别为1.89%和5.1%,从而实现了旋压坯料细观特征在有限元模拟中的重构。将重构的多晶体与所构建的镁合金热变形晶体塑性本构模型相结合,构建出用于织构演化研究的晶体塑性有限元模型,通过对镁合金热压缩过程宏观应力应变关系及织构演变的预测,确定了模型参数。结果表明,所构建的镁合金热变形晶体塑性有限元模型在温度250℃~350℃,应变速率0.01s-1~1s-1范围内对应力应变预测的最大平均相对误差仅为3.36%,与此同时还能实现不同温度及变形速率条件下织构的准确预测。采用镁合金带内筋筒形件热强旋成形宏-细观耦合建模方法,对不同减薄率及温度条件下旋压件壁部及筋部的织构演变进行研究。结果表明:在相同减薄率及温度条件下,壁部位置晶粒c轴的偏转角度比筋部位置大;滑移系累积剪应变随减薄率增加而线性增大的特点将引起织构强度的不断加剧;当热强旋温度较低时,壁部及筋部仍保留显著的坯料基面板织构特征;随着温度的升高,壁部及筋部位置的晶粒c轴将发生较大角度的偏转,且织构强度不断加强,板织构特征不断减弱。与壁部相比,筋部宏观变形程度受温度变化的波动更大是导致温度对筋部织构影响较大的原因。通过对热强旋过程中晶粒取向变化的追踪揭示了织构演变机理,结果表明,热强旋成形过程中坯料晶粒c轴由平行于切向逐渐向平行于径向偏转。径向压应力作用下基面滑移系Schmid Factor(SF)较大的晶粒及坯料最大织构强度位置对应的晶粒取向偏转是壁部织构形成的原因,而筋部织构的成因主要来源于具有较小(0.1~0.2)基面滑移系SF的晶粒取向的偏转。镁合金带内筋筒形件力学性能分析结果表明:旋压件延伸率得到显著提高,筋部的屈服强度和抗拉强度与坯料基本相同,而壁部屈服强度和抗拉强度则略低于坯料,且坯料与旋压件拉伸试样的断裂面方向不同。对热强旋前后材料强度及断裂面方向变化的原因进行分析,结果表明:晶粒c轴方向不同及晶粒绕c轴转动自由度变化引起的柱面滑移系SF的差异是导致断裂面方向不同的原因,而旋压前后材料强度的变化是细晶强化与织构软化作用相互竞争的结果。
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