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Pb-B金属基屏蔽材料高温变形行为研究及数值模拟

何建洪  
【摘要】:随着核能应用的推广,具有x射线,γ射线和中子辐射综合屏蔽材料的研制一直被作为重要科研课题受到各国重视。课题组通过对屏蔽材料组元及成分的选择,制备具有一定力学承载能力且能屏蔽X射线,Y射线和中子的多功能Pb-B金属基屏蔽材料。由于该屏蔽材料存在大量的硬脆的低熔点金属间化合物,导致其塑性加工成形能力较差,严重制约了该屏蔽材料的推广和应用。 为了探究Pb-B金属基屏蔽材料的塑性变形理论和指导其热加工成形研究,本文利用Gleeble-1500D热模拟实验机对Pb-B金属基屏蔽材料的高温流变行为进行了研究。利用一元和多元线性回归分析方法,研究了Pb-B金属基屏蔽材料高温塑性变形过程中的流变应力、应变、应变速率和温度的相互关系,建立了该屏蔽材料的流变应力本构模型;借助XRD、SEM、EDAX等分析手段研究分析了Pb-B金属基屏蔽材料的微观组织演化特征,同时还探讨了发生动态再结晶的临界条件;将流变应力本构模型耦合到DEFORM-3D软件中,模拟了Pb-B金属基屏蔽材料热挤压过程中的应力分布、应变分布和温度分布,并研究分析了挤压条件对挤压过程的影响。结果表明: 1.Pb-B金属基屏蔽材料高温流变应力在变形温度范围内、应变量达到某一定值时会呈现稳态变形特征,即流变应力达到峰值后,随着应变的增大,流变应力会缓慢下降到稳态,说明了Pb-B金属基屏蔽材料流变应力-应变曲线具有明显的动态再结晶特征,在稳态变形阶段具有负的应变硬化指数;当应变速率较高或变形温度较低时,应力-应变曲线能达到较大流变峰值应力值,而在相同的应变速率下,流变峰值应力及与之相对应的应变随变形温度的升高而明显下降。 2.通过对Pb-B金属基屏蔽材料在高温变形时的流变峰值应力分析,发现用双曲正弦数关系模型能更好地描述Pb-B金属基屏蔽材料高温变形过程中的流变峰值应力、应变速率及温度之间的相互关系。同时也可用包含Arrhenius项的Zener-Hollomon参数来描述它们之间的关系。 3.Pb-B金属基屏蔽材料在高温变形过程中存在稳态变形特征。稳态流变应力随着变形温度、应变速率和应变的变化而发生变化,并建立了该屏蔽材料稳态流变应力本构模型来描述它们之间的相互变化关系。结果表明:所建立的稳态流变应力本构模型能够比较准确地预测该屏蔽材料高温变形时稳态流变应力行为。 4.研究分析了Pb-B金属基屏蔽材料在不同变形条件下微观组织演变特征,发现变形温度在493K-573K、应变速率在0.01-1s-1范围内选取时,将有利于Pb-B金属基屏蔽材料高温变形过程中的再结晶及新晶粒形成及长大。同时探讨了Pb-B金属基屏蔽材料在不同高温变形条件下的动态再结晶发生的临界条件,获得了该屏蔽材料高温变形时发生动态再结晶临界条件、出现最大软化率时的条件与变形温度、应变速率之间的相互关系。 5.挤压温度、挤压速度及挤压比对Pb-B金属基屏蔽材料热挤压过程影响最大。数值模拟结果表明:挤压比控制(λ)在25以内、挤压速度及挤压温度分别在:5-15mm/s、200-300℃范围内选取,将有利于Pb-B金属基屏蔽材料热挤压过程顺利进行。


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