大塑性变形(severe plastic deformation,SPD)的研究现状

本文概述了近10年来大塑性变形(severe plastic deformation,SPD)研究成果,文章首先简述了各种SPD工艺的特点,其次对SPD强化机理研究现状做了分析,最后基于目前SPD技术的应用现状,对其发展和应用前景展开了必要的讨论和展望.

挤压Mg-Y-Ni-Co合金的显微组织、加工性能及塑性变形行为

本工作通过光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和万能实验机对挤压Mg-2Y-0.5Ni-0.5Co(%,原子分数)合金的显微组织、加工性能和塑性变形行为进行了研究。挤压合金的显微组织主要由α-Mg、沿挤压方向分布的片层状和细小块状18R-LPSO相、MgY(Co,Ni)_(4)相以及晶粒内细条纹状的14H-LPSO相组成。拉伸测试结果显示,挤压合金具有良好的室温塑性,断裂延伸率均高于15%。随着温度的升高和应变速率的降低,合金的拉伸强度降低,而塑性增强。合金在300℃、1×10^(-3)s^(-1)和1×10^(-4)s^(-1)应变速率下断裂延伸率分别为117.87%和143.9%,具有准超塑性。通过构建的热加工图谱,优化出合金的稳定加工区间为温度275~300℃、应变速率10^(-4)~10^(-3)s^(-1)。挤压合金的变形行为随温度和应变速率的变化而改变,在低温(室温(RT)到200℃)和不同应变速率下,合金的变形机制以位错滑移为主;在高温(300℃)和低应变速率(1×10^(-4)s^(-1)和1×10^(-3)s^(-1))下,合金的变形机制为晶界滑移协调的位错滑移。

四工作辊轧机轧制304不锈钢板件截面塑性变形分析

针对四工作辊轧机轧制304不锈钢板件存在变形量大、尺寸不稳定的问题,利用Solidworks软件建立四工作辊轧制系统有限元模型,采用Deform软件对304不锈钢板件在不同轧辊直径、轧辊转速和轧辊压下量下进行轧制仿真,分析其对轧件截面高度和等效应力分布的影响,根据轧制仿真分析结果设计制造了四工作辊轧机,并对不同压下量下仿真和生产的轧件截面高度进行对比分析。结果表明,轧件截面塑性变形可分为相互作用Ⅰ区、过渡Ⅱ区和变形Ⅲ区,等效应力、等效应变和截面高度在Ⅰ区最大,在Ⅲ区最小且变化平稳,Ⅱ区值位于两者之间并呈U型分布。

强塑性变形(SPD)制备超细晶粒材料的研究现状与发展趋势

强塑性变形(SPD)技术已成为21世纪获得微米、甚至纳米级细晶粒材料,在塑韧性损失不大的情况下成倍提高金属材料强度的手段。概要介绍了目前国内外开发的强塑性变形的新技术或新方法,指出,应力或塑性变形将成为今后改变材料组织性能的主要技术之一,将与热处理技术并驾齐驱。应力热处理专业将成为材料科学与工程中一个新型的专业。

基于声发射的TiB/TC4复合材料塑性变形缺陷检测

目的钛基复合材料塑性差,断裂机制复杂,研发准确的缺陷在线检测技术对控制其服役过程的破坏风险和成形过程的零件质量具有重要意义。方法提出了基于声发射的TiB/TC4复合材料塑性变形缺陷检测方法,首先进行3种不同应力状态TiB/TC4复合材料试样的单轴拉伸试验,以采集声发射信号,通过断口形貌分析其断裂机制,并使用谱聚类方法对声发射信号进行聚类分析,探寻声发射信号与断裂机制之间的关系。结果通过谱聚类可将TiB/TC4复合材料塑性变形过程中的声发射信号分为低频连续和高频突发2类,其质心频率以600~650 kHz为分界。根据断口形貌分析将其分别对应为TC4基体晶粒内位错运动与晶界处增强相TiB颗粒断裂。TiB颗粒断裂的声发射信号占比随着应力三轴度的增大而提高。TC4基体晶粒内位错运动的声发射信号为低频、连续信号,而TiB断裂的声发射信号为高频、突发信号。结论TiB/TC4复合材料塑性变形过程中的声发射信号源机制包括TC4基体晶粒内的位错运动与晶界处增强相TiB颗粒的断裂,通过谱聚类不仅能有效检测TiB/TC4复合材料塑性变形缺陷的产生,还能识别缺陷的形成机制。

基于弹−塑性变形的含瓦斯煤体渗透率动态演化模型

煤体渗透率演化特征的研究对于合理布置煤层瓦斯抽采参数、提高瓦斯抽采产量具有十分重要意义。为研究不同煤体应力及瓦斯压力对渗透率的影响,开展了瓦斯吸附扩散与受载煤体变形实验,建立了受载煤体分段渗透率动态演化模型,结合实验测试结果对所建立模型的合理性进行验证。研究结果表明:瓦斯吸附量及煤体变形量均随气体压力增大呈Langmuir型变化规律,煤体瓦斯动扩散系数随时间变化呈指数衰减趋势;随着瓦斯压力降低,受载煤体膨胀变形量逐渐减小,渗透率逐渐增大,受载煤体渗透率及膨胀变形量均随煤体应力增大而逐渐降低,应力加载煤体渗透率整体呈现“V”形变化规律,应力峰值处煤体渗透率最小;所建立的煤体渗透率模型中,考虑了瓦斯吸附引起的基质与裂隙变形耦合作用、基质瓦斯动态扩散作用及基质与裂隙物质交换作用;利用实验结果对所建立煤体分段渗透率模型的合理性进行验证,基于弹性变形的煤体渗透率模型能够很好反映出煤体弹性变形阶段的渗透率演化特征,实验范围内,煤体渗透率实验测试与数值模拟结果绝对误差为−0.135×10^(−15)~0.296×10^(−15)m^(2),由于渗流引起的煤体体积应变绝对误差为−0.327×10^(−5)~2.026×10^(−5);考虑塑性变形的煤体渗透率模型也可以反映出煤体应力峰后渗透率变化规律,实验测试结果与数值计算结果的绝对误差为−0.435×10^(−15)~0.997×10^(−15)m^(2)。

TA1钛合金药型罩剪切旋压成形塑性变形规律的数值模拟研究

目的TA1钛合金作为药型罩材料,具有提高穿深和侵彻孔径的优异表现,但其剪切旋压成形过程中塑性变形规律复杂且难于控制,以期通过有限元数值计算解析多工艺参数的协同作用。方法建立了TA1薄壁锥形件结构旋压加工过程的三维非线性热-力耦合有限元模型,研究了TA1从圆形板坯到锥形件旋压全过程的金属塑性变形行为、应力及应变的变化。采用正交实验分析了旋轮进给速率、芯轴转速与板坯厚度对成形过程的旋压力以及成形样件的内径偏差和壁厚偏差的影响规律。结果结果表明,锥形件侧壁的塑性应变沿母线方向逐渐减小,最大应变值出现在靠近锥形件顶部的小端面位置。旋压载荷随旋轮进给速率与板坯厚度增加而增加,随芯轴转速增加而减小。内径偏差随进给速率与板坯厚度的增加而减小,与芯轴转速的相关性较小。壁厚偏差随进给速率的增加先减小后增大,随芯轴转速与板坯厚度的增加而减小。结论基于数值模拟结果,获得TA1薄壁锥形件的优化工艺参数为:旋轮进给速率300mm/min,芯轴转速260r/min,板坯初始厚度4mm。开展了TA1钛合金剪切旋压成形实验,所得锥形件尺寸与模型计算结果一致,验证了模型的准确性。

激光表面处理对工业级锆基块体非晶合金塑性变形能力的影响

目的针对工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金受到原材料中杂质元素和制备环境中氧元素的影响,其本征塑性变形能力较差的问题,研究激光表面处理对工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金在压缩和拉伸条件下塑性变形能力的影响。方法采用低纯原料制备工业级母合金锭子,利用铜模铸造法在低真空环境下制备工业级非晶合金试样,采用激光法对试样进行表面处理,利用万能试验机对激光处理试样的压缩和拉伸力学性能进行测试。通过X射线衍射仪和电子探针对试样的微观组织结构进行表征,采用扫描电镜对力学测试失效后试样的形貌进行微尺度观察。结果经激光表面处理后影响区的深度约为150μm,在影响区内铜元素的含量有所降低,但依然为非晶结构。在压缩条件下,未经激光表面处理的工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金的塑性应变为0,断裂强度为1534 MPa。经过激光表面处理后,试样具有1%的塑性应变,屈服强度为1337 MPa,断裂强度为1562 MPa。在拉伸条件下,激光表面处理前后工业级块体非晶合金的塑性应变均为0,断裂强度也无明显变化,其平均值为1379 MPa。结论通过激光表面处理在工业级Zr_(49.7)Ti_(2)Cu_(37.8)Al_(10)Er_(0.5)块体非晶合金试样表面引起的成分变化和引入的残余应力状态,能够有效促使压缩载荷作用下剪切带的萌生,提高其压缩塑性变形能力。

温度对金纳米线拉伸塑性变形影响的分子动力学模拟研究

小尺寸金(Au)纳米线因具有优异的力学性能而受到广泛关注。而之前的相关研究大多是在常温下进行,不同低温下的研究较少。研究金纳米线在低温下塑性变形行为,能够为其低温下的应用提供理论依据。本文采用分子动力学模拟的方法,研究了不同温度下菱形Au纳米线的力学行为,发现Au纳米线的强度和塑性变形能力会随温度降低而增大。另外,Au纳米线的塑性变形机制受温度影响会发生转变。在175~350 K时,其塑性变形机制主要为Shockley偏位错发射导致纳米线形成大量层错,之后出现切变和过早颈缩。在50~140 K时则转变为以偏位错发射为主,首先形成平滑的孪晶界并发生迁移,之后形成交叉的孪晶界并继续迁移,过程中生成大量孪晶,最终产生40.16%的均匀变形。

超塑性变形对2A97铝锂合金微观组织和力学性能的影响

本文将2A97铝锂合金板材在430℃、2×10^(-3)s-1条件下进行超塑性拉伸实验,拉伸至不同真应变(ε=0.4、0.7、0.9、1.1)后对其进行室温拉伸测试和断口形貌分析,并结合电子背散射衍射(EBSD)和扫描电子显微镜(SEM)研究不同超塑性变形量对2A97铝锂合金微观组织的影响。结果表明:随着超塑性变形量的增加,小角度晶界通过动态再结晶转变为大角度晶界,晶粒形貌从条带状向等轴状演变;在真应变0~0.9阶段,平均位错密度由于动态再结晶作用从0.6×10^(13)m^(-2)下降至0.2×10^(13)m^(-2),但在真应变达到1.1时,由于由于协调晶界滑动平均位错密度反而上升至0.3×10^(13)m^(-2)。合金室温拉伸强度在真应变0~0.4阶段下降,在0.4~1.1阶段上升;而伸长率变化规律相反,由于在真应变0~0.4阶段,动态再结晶软化作用使强度下降;在真应变0.4~1.1阶段,第二相回溶增强固溶强化效果,同时晶界强化和析出强化综合作用使强度增加,而空洞面积分数从0.09%增加至0.47%,第二相粒子粗化,导致伸长率下降。

无模无铆连接接头的塑性变形行为及工艺参数研究

为克服传统无铆连接工艺模具结构复杂、对中要求高等不足,提出了一种新型无模无铆连接工艺,并针对2 mm厚AA5052-H32铝合金板材开展了无模无铆接头塑性变形行为及工艺参数的研究。通过单轴拉伸实验和参数拟合获取了铝合金材料模型,并以此为材料数据建立了无模无铆接头成形过程有限元模型。此外,还分析了成形过程中板料的等效塑性应变、等效应力和材料流动情况,研究了冲头工艺参数对接头塑性变形行为的影响规律。实验与仿真结果表明,所建立的有限元模型具有较好的精度,[JP3]可以有效预测接头的成形过程,接头的颈部厚度、互锁值和凸起高度的预测误差均在10%以内,分别为9.4%、1.8%和0.1%;冲头直径、冲头圆角半径、冲头高度和冲头拔模斜度4种冲头工艺参数对接头的塑性变形行为和最终的接头形状有重要影响。

冷轧TA1钛板的塑性变形行为研究

借助电子背散射衍射技术(EBSD)和X射线衍射仪(XRD),研究了冷轧TA1钛板在不同压下率下表层和中心层的微观组织、织构及形变孪晶的演变规律,分析了其塑性变形行为。结果表明,随着冷轧压下率的增大,表层和中心层的等轴晶粒均逐渐转变为纤维状组织。在中低变形率范围(0%~40%),组织中观察到{1122}<1123>压缩孪晶和{1012}<1011>拉伸孪晶,孪晶数量则随着压下率的增加先增多后减少,在压下率为20%时达到最大值。冷轧样品表层和中心层主要含有{0001}基面织构和{1120}面织构,以及{0112}<1000>、{1125}<1100>、{1123}<1100>三种棱锥织构。随着压下率的增大,{0001}基面织构含量先增多后减少,{1120}柱面织构无明显变化,三种棱锥织构的含量则呈增加的趋势。整体而言,在冷轧过程中,中心层的织构组分含量变化较小,而表层的织构组分变化较大,且呈现逐步增强的趋势,最终表层和中心层织构的组分含量趋于一致。

ABAQUS软件分析测井用金属连续毛细管塑性变形

针对金属连续毛细管因在测井绞车滚筒上的弯曲行为而产生塑性变形对性能的影响,采用有限元软件ABAQUS分析不同弯曲半径时金属连续毛细管产生的塑性变形和疲劳寿命。结果表明:金属连续毛细管在弯曲过程中的塑性变形随着中性层向外逐渐增大;当弯曲半径由75 mm增加至150 mm时,随着弯曲半径的增加,金属连续毛细管的塑性变形逐渐增大,等效塑性应变由3.5×10^(-2)减小至1.46×10^(-2),并且使用寿命逐渐趋于平缓,循环次数由25 000增加到398 107。

失水事故下锆合金包壳塑性变形及失效行为研究进展

锆合金是目前轻水堆广泛使用的燃料元件包壳材料,失水事故(LOCA)下燃料包壳的性能是目前国内外科学家广泛关注的重点。随着更高的燃耗要求和国产锆合金的推广,国产锆合金在高燃耗下的LOCA中的塑性变形及失效性能成为当前重点关注的方向之一。本文归纳了近年来国内外对LOCA工况下锆合金塑性变形及失效行为的重要研究成果,总结了锆合金的氧化、氢化、脆化过程,及温度、应力、合金元素、预氧化、预氢化、淬火温度等因素对LOCA工况下锆合金塑性变形及失效的影响,讨论了塑性变形失效的微观机制,提出了后续进一步深入研究的方向。

塑性变形对低合金钢拉伸性能的影响

对10CrNi3MoV低合金结构钢进行不同塑性变形处理和时效热处理,对试样进行拉伸试验,研究塑性变形处理和时效热处理对材料拉伸性能的影响规律,建立塑性变形量与材料拉伸参数之间的关系模型,并对试样的断口形貌进行观察。结果表明:随着塑性变形率的增大,材料的屈服强度和抗拉强度逐渐增大,断后伸长率和最大力总延伸率逐渐降低,纤维区产生的裂纹尺寸先增大后减小,不同塑性变形处理后试样的断裂形式均为韧性断裂;随着时效温度的升高,材料的屈服强度和抗拉强度均呈先增大后减小的变化趋势,最大力总延伸率不断增大;建立了塑性变形量与材料拉伸参数之间的关系模型,可用于预测不同塑性变形后材料的拉伸性能。

长期荷载下高等级路基累积塑性变形的试验研究

为了研究长期荷载下高等级路基累积塑性变形的规律,本文对路基土进行循环加载试验,分析了路基动应力、含水量、压实度对塑性变形的影响以及路基含水量和压实效应。研究结果表明:循环加载次数和动应力增加会导致土体的轴向累积塑性变形和永久变形值逐渐增加,含水率对路基土塑性变形有明显影响,因此应做好路基防水和排水措施。研究结果可以为公路运行安全提供参考。

建筑铝合金塑性变形件中裂纹源位置对力学性能和抗氧化性能的影响

为明确裂纹源位置对铝合金塑性变形件的影响机制,制备不同裂纹源位置的铝合金塑性变形件试样,进行试样的断口形貌、力学性能、高温抗氧化性能以及疲劳性能测试。试验结果表明,铝合金塑性变形件的强度、韧性、断裂伸长率、抗氧化性能和疲劳寿命均受到裂纹源位置的显著影响。裂纹源远离应力集中区域的试样表现更优,能够承受更大的塑性变形,氧化层能够均匀形成且稳定,疲劳破坏的风险低。相反,裂纹源位于缺口中部或根部的试样,由于应力集中和潜在损伤,其各项性能指标均有所下降,尤其是在缺口根部,性能明显降低。因此,在铝合金塑性变形件的设计、生产和使用过程中,应高度重视裂纹源的控制,确保塑性变形件的最佳性能。

车辆荷载作用下高速公路路基的累积塑性变形试验研究

为研究粗粒土高等级路基在长期车辆荷载作用下的累积塑性变形量,本文以典型公路粗粒土路基为案例,通过循环加载三轴试验研究了粗粒土塑性变形与应力水平、压实度、含水量、加载次数的关系。结果表明:①粗粒土路基的塑性变形量随应力和含水量的增大而增加,随压实度的增加而减小。②用Tseng-Lytton模型对试验数据进行拟合,通过多元回归法得到了模型系数与含水量和回弹模量的关系。③利用分层求和法,计算了典型路基路面结构土的塑性变形,其动态变形曲线对称,大致呈W形,变形的最大值位于车轮的正下方,随着车轮距离的增加,变形量减小。

刮板输送机链条磨损量对其塑性变形的影响规律研究

链条是刮板输送机的核心部件。针对圆环链条磨损量对其塑性变形影响规律不清晰、检测技术手段少的问题,采用有限元数值模拟的方法,通过模拟磨损量分别为0、5%、10%、15%和20%的圆环链条在拉伸过程中的塑性变形行为,揭示刮板输送机圆环链条磨损量对其塑性变形行为的影响规律。该研究为刮板输送机链条选型、磨损程度判定提供了技术参考。

岩石三向应力受载条件下塑性变形与破坏过程研究

为了研究深部巷道开挖对围岩的影响,文章通过对花岗岩、砂岩以及水泥砂浆试件进行一系列真三轴试验,模拟地下工程开挖相关的应力变化,获取了单轴和真三轴条件下的应力-应变曲线,并对试验数据和试件破坏后的形态进行了分析。试验结果表明,当最大主应力消除后,岩石抗压强度随着中间主应力的增大而增大;预加载值和单轴抗压强度之间的比值与岩石的应力-应变曲线特征密切相关,比值越大,应力-应变曲线的非线性与塑性特征越明显;随着中间主应力的增大,脆性的花岗岩与砂岩的破坏特征由锥形破坏转变为长条形破坏,塑性的水泥砂浆试件则始终保持剪切破坏特征。