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铝青铜合金等通道转角挤压的有限元模拟及试验研究

高万茹  
【摘要】:铝青铜合金是现阶段广泛使用的工业合金,由于其具有优异的物理、机械性能及耐磨、耐腐蚀性能,在机械制造、电气、轻工、国防工业、建筑等领域有着重要的应用,主要用来制造高强度、高弹性、高耐磨性和高耐蚀性能的零件。为了进一步提高其综合性能,目前采用的方法主要是通过改变铝青铜合金中微量元素的成分及含量以改善其性能,但该法难以适应更高的要求,因而迫切需要发展新的技术。 等通道转角挤压(Equal Channel Angular Extrusion,简称ECAE)作为制备超细晶材料的先进技术之一,通过材料纯剪切的大塑性变形,在不改变其外部尺寸的基础上获得超细晶组织。本文选用铝青铜合金为研究对象,利用有限元法对整个ECAE加工工艺进行了完全的有限元分析,同时,进行了试验性研究,将数值模拟与试验相结合,取得了一系列原创性的研究成果。 第一:基于三维建模软件UG的平台,建立了EACE挤压的3D模型。选用有限元分析软件DEFORM-3D,通过一系列合理的参数设置:材料模型、单元选取、网格、边界条件、摩擦、求解器和增量步长等,建立了铝青铜合金ECAE有限元模型,分析了合金的变形过程、应力应变分布对ECAE结果的影响。结果表明:ECAE挤压过程主要分为三个阶段:快速增加阶段,稳定阶段及快速降低阶段,其中,稳定阶段是主要变形阶段。此外,试样不同部位的等效应变,等效应变率,等效应力皆不相同,剪切变形区域内,表现为通道拐角处最大,试样内层大于外层,整体呈现分布不均匀性。 第二:模拟了不同模具参数对ECAE挤压结果的影响。结果表明:模具内角Φ=90o时,随着外角的增大,所需最大挤压力载荷减小,等效应变也逐渐减小并且均匀性变差;模具外角Ψ=32.4o时,随着内角的增大,最大加载载荷逐渐减小且模具内角对载荷的影响比外角显著,最大等效应变也逐渐减小;随着摩擦系数的增大,所需挤压载荷随之增大,最大等效应变逐渐减小,模具的应力也随之增大;随着挤压速度的增大,所需挤压载荷增大,试样整体应变分布趋于不均匀。 第三:研究了ECAE预热温度、挤压道次、摩擦条件和退火处理对铝青铜合金微观组织及力学性能的影响,确定了铝青铜合金ECAE最佳的工艺条件,探讨了ECAE细化铝青铜合金组织及改善力学性能的机理。结果表明:预热温度应高于合金的共析转变温度;随着挤压道次的增加,合金晶粒尺寸减小,硬度、强度及塑性增加;适当的润滑可防止变形不均匀,增强铝青铜合金组织的细化效果;400℃退火时,合金发生了回复,硬度、强度及塑性有所下降;500℃时,合金由于再结晶引起晶界强化,硬度、强度及塑性提高;600℃时,合金晶粒长大,硬度、强度及塑性显著下降。500℃退火60min时合金的各项力学性能尤佳。 本文通过计算机数值模拟,分析了铝青铜合金ECAE的变形过程,获得了较优的ECAE工艺参数;通过试验制备出了组织细化、力学性能优良的铝青铜合金;分析了ECAE对铝青铜合金微观组织及力学性能的影响及作用机制。本研究工作的完成,扩大了铝青铜合金的应用领域,为制备高性能铝青铜合金提供了一条有效的新途径;对于促进ECAE热挤压工艺研究,具有重要的学术价值。


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