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镍钛形状记忆合金薄壁管滚珠旋压成形研究

易文林  
【摘要】:镍钛形状记忆合金(下文简称镍钛合金)由于具有形状记忆效应、超弹性、耐蚀性以及良好的生物医学相容性等特殊性能而在连接件和医疗器械等领域得以广泛应用,并表现出良好的应用前景,但是,镍钛形状记忆合金管材难以加工制造,因此需要一种有效的成形方法对其进行加工。滚珠旋压属于连续局部塑性成形工艺,已经被用于制造高质量、高力学性能的薄壁管,但是,很少见其被用于镍钛合金管的制造。本课题尝试采用滚珠旋压工艺成形高质量的镍钛合金薄壁管,通过分析镍钛合金高温变形的动态回复和动态再结晶机制,构建镍钛合金的本构方程,并采用刚粘塑性有限元法对镍钛合金薄壁管的滚珠旋压成形进行模拟,为镍钛合金薄壁管的滚珠旋压成形提供了重要的理论基础。 本论文采用经850℃、2小时固溶处理的镍原子含量为50.9at.%的镍钛合金圆柱体试样(直径为4mm,高为6mm)进行不同变形温度(600℃~1000℃)、不同应变速率(0.001s~(-1)~1s~(-1))、不同变形程度(10%~90%)条件下的热压缩实验,获得了应力应变曲线。根据热压缩实验的实验数据,采用线性拟合的方法,获得了本构方程中的常量:激活能Q=2.30×10~5(J/mol),α=4.7×10~(-3)(MPa~(-1)),A=5.26889×10~(10),n=4.26211,从而构建了能够精确地描述镍钛合金在热加工过程中变形行为的本构方程,从而为镍钛合金薄壁管滚珠反向旋压的模拟提供了材料模型。 本文采用金相显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等设备及能谱分析(EDS)等手段进行了变形前后材料的显微组织、断口形貌、成分等观察与分析。通过扫描分析可以知道固溶后的镍钛合金室温下压缩断口形貌具备准解理断裂特征;通过能谱分析和透射电镜观察发现在室温条件下的基体相主要是立方结构的奥氏体相(B2有序结构),基体上存在面心立方结构的TiC;通过差示扫描量热仪测定了试样的相变温度:M_s=-21.7℃,M_f=~(-3)8.5℃,A_s=~(-1)2.5℃,A_f=1℃。 镍钛合金未压缩前的组织为大小均匀的等轴晶,而压缩后的组织则呈现动态回复或动态再结晶特征。在600℃和650℃时,镍钛合金表现为典型的动态回复特征,晶粒沿压缩方向被拉长;在700℃时,材料发生了动态再结晶,形成细小的晶粒;800℃时,晶粒长大成等轴晶,当温度超过800℃后,晶粒发生了严重长大,以上表明随着温度的升高,镍钛合金容易发生动态再结晶。应变速率和变形程度对镍钛合金动态再结晶影响明显:随着应变速率的降低,动态再结晶形核及长大时间增加,从而使晶粒尺寸变大;当变形程度超过临界变形程度时,将获得细小的等轴晶。 为获得镍钛合金薄壁管滚珠反向旋压的成形规律和最佳工艺参数,本论文中建立了滚珠反向旋压的有限元模型,通过采用DEFORM~(-3)D有限元软件模拟了不同进给比(0.2mm/r~0.8mm/r)、不同壁厚减薄量(0.1mm~0.3mm)以及不同旋压初始温度(700℃~800℃)等主要参数对旋压件成形性的影响,获得了不同条件下旋压件塑性变形区的温度场、应力场和应变场,预测了旋压载荷,并得到了芯模和滚珠的温度场分布。旋压件的温度场分布表明,塑性变形功导致了塑性变形区的温度增加;旋压件的应力场分布表明塑性变形区处于三向压应力状态;旋压件的应变场分布表明塑性变形区的径向应变和切向应变为压缩应变,轴向应变为伸长应变;旋压载荷的预测结果表明旋压件在滚珠旋压过程中能够发生稳定流动。


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