扭转变形制备的梯度结构镁合金微结构与力学性能研究进展

传统镁合金的强度和塑性相对较低,且难以同步提高,很大程度上限制了其在工程中的应用。已有大量研究表明,呈梯度结构的晶体缺陷可有效提升材料强度,优化其韧性,实现强度与韧性的完美契合。通过扭转变形的方式可向镁合金材料内部引入晶体缺陷梯度结构,实现各梯度层之间相互作用与相互协调,从而极大优化和改善镁合金材料的整体性能。综述了采用扭转变形方式制备梯度镁合金材料的研究背景、制备原理、微观组织特点以及性能影响,论述了利用扭转变形方式优化镁合金材料性能的应用前景。

铝单晶扭转变形行为及静态再结晶机理

对〈123〉取向铝单晶进行了不同应变量下常温单向扭转变形及后续退火处理,利用电子背散射衍射(EBSD)技术对退火前后试样进行了表征,分析了铝单晶不同应变量与退火条件下微观组织演变与静态再结晶行为。结果表明:铝单晶常温扭转变形过程中发生晶格旋转,其形变基体内部由平行于活化滑移平面{111}的变形微带组成。位错在扭转变形中形成并通过相互作用而导致位错堆积,从而诱发铝单晶晶格旋转和取向散射。退火温度为500℃时,晶界迁移速率增加,形变铝单晶中取向差在20°~45°高能晶界的二次再结晶晶粒优先生长,导致其晶粒尺寸持续增长至1 mm左右。随着应变量和退火温度的增加,再结晶晶粒由相邻形变基体围绕〈111〉、〈123〉和〈122〉方向旋转20°~60°形核产生,30°~50°〈111〉型取向关系逐渐占据主导地位。

考虑弦杆约束的新型板桁加劲梁扭转变形计算方法

针对某拟建千米级跨度高速铁路悬索桥所采用的新型板桁加劲梁,依据剪切刚度等效原则,构建闭口薄壁箱形梁连续化等效模型;基于截面刚性周边假定,考虑弦杆纵向约束作用,建立连续化等效模型的扭转平衡微分方程,推导得到扭转角解析公式。构建悬索桥连续化等效单梁有限元模型,推导悬索桥加劲梁扭转角解析式。通过算例验证该解析公式计算所得加劲梁扭转角与空间精细化有限元计算结果吻合良好,弦杆纵向约束作用对新型板桁加劲梁扭转变形影响不可忽略。研究结果表明:相比于空间精细化有限元模型,连续化等效单梁模型计算所得悬索桥加劲梁挠度和扭转角最大相对误差分别为1.8%和14.7%,依据解析式计算所得相对误差分别为7.1%和6.3%;对于悬索桥加劲梁扭转刚度初步设计,上述2种方法的精度误差均在可接受范围内,且计算效率大幅提高,具有较好的适用性。

扭转变形及退火处理对MP35N高温合金力学性能及微观结构的影响

采用扭转变形和退火处理调控MP35N合金的微观结构并改善其力学性能,对其力学行为进行微观机理分析。研究结果表明:扭转变形在合金径向上引入了梯度位错密度,使应变最大的表面处晶粒细化并引入大量层错。梯度结构的引入使得扭转变形后合金的强度显著提高至约767 MPa,同时拥有可观的均匀伸长率(约40%);进一步的退火处理并未改变扭转变形引入的梯度结构(包括梯度位错密度和晶粒尺寸),但退火处理导致合金中一部分位错的湮灭,并使得表面区域的层错转变为纳米孪晶。退火处理导致纳米孪晶的形成以及“铃木(Suzuki)效应”的作用使得合金发生了二次硬化。退火过程产生的二次硬化与位错湮灭导致的退火软化相抵消,二次硬化提供的强度约为76 MPa。

扭转变形对工业纯钛微观组织及拉伸力学性能的影响

对TA2纯钛进行600℃30min去应力退火,使用数控扭转试验机在室温下以5°/min速率的对TA2样品进行不同角度的扭转变形,研究其在不同扭转变形量下的微观组织和力学性能的演变规律。结果表明:经扭转后,试样表层晶粒得到细化,晶粒向扭转轴向发生转动,等轴晶粒被拉长成椭圆形;表层位错密度显著增高,呈现梯度分布;表层形变孪晶片层增多,使得孪晶片层也呈现由内向外的梯度分布。表层的晶粒细化、位错密度的增加和孪晶层的增多导致显微硬度呈现表层高而心部低的梯度分布,且随扭转变形量的增加梯度现象更显著。扭转变形后样品沿轴向的拉伸屈服强度显著提高,同时延伸率仅略微下降,说明晶界、位错和孪晶等梯度缺陷的引入提高了纯钛的强韧性。

基于误差修正模型的机翼风洞试验弯扭变形测量方法

风洞试验中,机翼在高速气流下产生弯曲、扭转变形,本文提出一种基于误差修正模型的机翼弯扭变形测量方法。首先,利用基于摄影测量的相机标定方法求得相机畸变参数,采用数字图像相关法定位与追踪荧光点的无畸变像素坐标。然后根据摄影测量技术建立气流坐标轴系标定板,并利用气流坐标轴系标定板标定相机外参及求取机翼上荧光标记点的Y坐标。最后,根据标记点已知的Y轴向约束,建立单双目测量系统各自的三维重建模型及弯扭变形的误差修正模型,并以模型迎角为0°水平时为基准状态计算吹风状态下机翼弯扭变形。经试验验证,本文提出的机翼扭转变形测量误差小于0.01°,机翼弯曲变形测量误差小于0.15 mm/m。该方法可为飞行器设计提供可靠及鲁棒的实验数据。

考虑双联行星齿轮轴扭转变形的拓扑修形方法研究

针对双联行星齿轮轴在载荷作用下产生扭转变形造成行星轮系偏载、轮齿啮合冲击大等问题,提出了考虑双联行星齿轮轴扭转变形的拓扑修形方法。分析了双联行星齿轮轴扭转变形成因及其对轮系均载性能的影响,基于多体齿轮承载接触分析(PLTCA)、齿轮承载接触分析(LTCA)求解了变形下的承载传动误差与齿面载荷分配系数;利用优化智能算法求解了齿面最大修形量条件下的修形参数最优解;对所提方法进行仿真验证。结果表明,本方法能有效降低齿面单位长度载荷与传动误差幅值,一级、二级行星轮齿面单位长度载荷分别下降33.58%、21.35%,传动误差幅值下降77.74%;在减速器载荷试验台上进行实验验证,实验结果与仿真结果一致;各行星轮齿面的磨损情况均大幅改善,较好地解决了NGWN型行星轮系偏载问题,提高了设备传动精度与使用寿命。

汽车铰链热轧扭转变形的有限元分析

针对型钢铰链在热轧过程中常见的扭转缺陷,建立了轧件轧制过程的有限元模型,并采用正交试验分析了轧辊直径、电机转速和孔型偏转角对轧件扭转变形的影响。结果表明:随着轧辊直径的增加,扭转角逐渐增大;随着电机转速的增大,扭转角先增大后减小;随着孔型偏转角的增大,扭转角先增大后逐渐减小,在孔型偏转角为7.6°时达到最大。孔型偏转角对扭转变形的影响较大。通过回归模型求得,在轧辊直径为369 mm、电机转速为675 r/min、孔型偏转角为13.13°的工艺参数条件下轧件的扭转角最小,并采用轧制试验验证了模型的准确性。

莫尔条纹测量扭转变形角的方案研究

提出了一种基于双光栅干涉产生莫尔条纹测量扭转角的高精度光学测角方法。为了验证莫尔条纹测量设备间扭转变形精度的有效性，进行了方案设计及实验分析。采用平行光管模拟设备，通过微调机械结构调节平行光管的扭转角来模拟三维物体的扭转变形，在独立的地基平台上进行了方案设计测量实验，并通过实验比较了不同的设计方案。选择的实验方案首先使CCD靶面在平行光管内像面处安装固定，然后采用滤波细化等图像处理方法得到采集到的莫尔条纹的宽度，进而根据条纹宽度变化通过数学模型计算出扭转变形量。实验结果表明，当微调机构使平行光管在±7’的视场内旋转时，该方案可以得到较为清晰的莫尔条纹图像，经过算法处理后，当莫尔条纹宽度为1615～1712μm时，扭转角的测量精度为4．3”（3σ）。该方法满足了设备间扭转角高精度测量的要求，为提高光电测量设备的测量精度奠定了基础。

Al-Cu-Mg-Zn-Cr合金热扭转变形中连续动态再结晶机理

用透射电镜小角度会聚束产生的明税Kikuchi线测量了大晶粒LC9超硬铝合金在高温慢速热扭转过程中的晶内亚晶界角变化，发现亚晶界角随变形量的增加逐步增加，表明连续动态再结晶是该材料在高温慢速预变形中晶粒细化的主要机制，双态分布的析出相在连续动态再结晶中所起的作用与其在常规的热机械加工过程中所起作用有所不同，弥散分布的小沉淀相阻碍位错的滑移和攀移并钉扎晶界与亚晶界。

高压干气密封扭转变形结构因素影响分析

基于圆环理论以及气体润滑理论,以复杂截面机械密封环为研究对象,建立密封扭转变形无量纲分析模型;提出了干气密封端面膜压引起端面扭转变形的计算方法,并基于该法,采用多因素优化法研究密封环结构和辅助密封圈安放位置等因素对其扭转变形的影响规律,以期使结构影响规律化.结果表明:采用解析法与集中法计算膜压扭转变形是可行的;各结构参数对扭转变形的影响规律及程度不同;扭转角随台阶半径比π2、长度比π3、O型圈位置的长度比π5的增大而增大,随宽度比π4、内径ri的增大而减少;扭转角在π4≤3.5时随长宽比π1的增大而减小,当π4】3.5时,随π1的增大先增大后减小,在π1=2~3间形成最大值;π1值相比π2值,对扭转角影响不大;相比π1、π2、π3和π4的影响,ri和π5影响较小,相比密封结构,O型圈位置影响较小.

机械密封的扭转变形计算方法与影响因素

针对机械密封环的典型结构,基于圆环理论,建立了密封环结构受力与变形的分析模型。采用圆环理论解析式和有限元法对密封环扭转变形进行了对比计算,分析了密封环的几何结构形状、几何结构尺寸和辅助密封圈的安放位置等因素对密封环扭转变形的影响规律。结果表明:采用理论解析法替代有限元法的计算方法是可行、有效的;复杂截面密封环的台阶长或宽各小于4mm时,均可直接忽略台阶对扭转变形的影响;辅助密封圈的安放位置和密封环结构形状对扭转变形量均具有重要影响;密封环尺寸在变化不大的前提下,其对扭转变形影响不大。研究结果完善了高压机械密封的设计理论与方法。

扭转变形测量的干涉条纹处理技术

利用光栅干涉原理进行船体扭转变形的测量。有别于传统干涉条纹的信息处理方法,提出了对条纹信息提取求船体扭转变形角的两种方法-条纹倾角法和条纹宽度法。条纹倾角法理论公式与测量坐标系中光栅的位置有关,针对光栅的所有位置关系分析,建立了条纹倾角法的统一公式;条纹宽度法理论公式与两光栅在测量坐标系中的位置无关,条纹宽度法的实验结果表明,变形误差为1.7″,证明测量原理正确,条纹处理方法精度可靠。

形状记忆合金驱动薄壁圆管扭转变形分析及试验研究

将预拉伸的形状记忆合金 (Shapememoryalloy ,简称SMA)丝作为驱动器 ,缠绕并粘贴在薄壁圆管表面。加热SMA ,当其发生相变时 ,会产生很大的恢复力 ,驱动圆管发生扭转变形。建立了粘有SMA丝应变驱动器的薄壁圆管的力学模型 ,分析了一个温度循环中 ,薄壁圆管受SMA驱动发生的压扭复合变形 ,给出了薄壁圆管扭转角与激励温度之间的关系。

层状地基中单桩的扭转变形分析

研究了扭矩作用下单桩的扭转变形。采用积分变换和传递矩阵方法求解成层土在内部环形荷载作用下的基本解;利用此基本解并考虑桩土位移协调条件,提出了层状地基中单桩扭转变形的半解析方法;通过一匀质地基算例验证了该理论方法的正确性,并给出了双层地基模型的数值分析结果。

含LPSO结构相稀土镁合金热扭转变形的动态再结晶

基于扭转实验,研究了含LPSO结构相的高强耐热稀土镁合金在扭转变形条件下的组织和性能演变。采用热扭转变形对铸态Mg-13Gd-4Y-2Zn-0. 5Zr镁合金施加累积剪切应变,获得合金的扭转等效应力-等效应变曲线,确定了该种合金不同变形条件下的动态再结晶临界应变,并结合光学显微镜(OM)和显微硬度计对合金的组织和力学性能进行了表征。实验结果表明:低应变速率下(0. 001和0. 01 s-1),在很小的临界应变下就发生动态再结晶。较高应变速率下(0. 1 s-1),随变形温度升高,临界等效应变降低,更易发生动态再结晶。在400℃变形时,低应变速率下(0. 001 s-1)发生明显的不连续动态再结晶,沿晶界形成'项链状'组织。随应变速率增加,晶粒内部依次启动LPSO结构相变形扭折、连续动态再结晶和孪生机制以协调变形。在应变速率为0. 01 s-1时,随温度升高,动态再结晶程度增加,在LPSO结构相扭折处产生塞积,使LPSO结构相断裂、细化。由于扭转变形时,从边缘到心部变形量不同,从心部到边缘的显微硬度值逐渐增大。总体上,低温变形时的力学性能较好,但是,在350~450℃的温度范围内显微硬度值大小差距不明显。

孔腔、离层与扭转变形——关于二辊斜轧桶形辊穿孔机与锥形辊穿孔机的讨论

简要总结了业界对孔腔、离层和扭转变形这3种典型现象的研究成果,对二辊斜轧桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机的穿孔原理和应用范围作了进一步讨论,并提出了相应的建议。分析认为,管坯在二辊斜轧桶形辊穿孔机和锥形辊穿孔机上穿制成合格的毛管,就是将顶头置于管坯孔腔前未氧化的疏松区里进行穿孔,消除毛管内折缺陷,确定合理的工艺参数和工具设计,消除毛管可能产生的离层缺陷,尽量减小毛管的扭转变形,从而获得穿孔质量、产量和消耗的最佳综合效果。这是二辊斜轧穿孔原理和二辊斜轧穿孔区别于其他穿孔方式的工艺实质。

扭转变形对AZ31镁合金组织及力学性能的影响

对具有强基面织构的轧制态AZ31镁合金实心圆棒进行了扭转及后续573 K保温1 h退火。使用电子背散射衍射技术(EBSD)探索了不同扭转角对组织及力学性能的影响。结果表明,扭转后试样扭转轴中心的组织(心部)孪晶体积分数要小于边部组织;扭转角度越大,试样中的孪晶体积分数越大。退火后,除了最小应变量的心部组织中残留有部分孪晶外,其余样品都发生了完全静态再结晶。应变量越大,退火后的平均晶粒尺寸越小,样品的塑性越好。与初始样品相比,在保持强度基本不变的情况下对于最大变形量退火的样品其塑性从13.8%提升到了25.9%。晶粒细化和织构弱化是使镁合金力学性能得到提升的主要原因。

楔横轧轧件扭转变形影响因素的研究

应用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,对楔横轧轴类件进行轧制过程的模拟,分析了轧件扭转变形的形成原因,总结出成形角、展宽角、断面收缩率、摩擦系数及模具脱空宽度对轧件扭转变形的影响规律,指出采用脱空模具是降低轧件扭转变形的最有效措施。本研究为合理确定楔横轧工艺参数,改善轧件的质量提供了重要的理论依据。

箱型地铁隧道斜穿地裂缝时扭转变形的解析解

地铁隧道在斜穿活动地裂缝时处于弯、剪、扭的复杂受力状态,针对箱型隧道物理模型试验中表现突出的扭转变形破坏,笔者基于薄壁杆件约束扭转理论,结合箱型隧道斜穿活动地裂缝的实际受力情况,提出箱型隧道衬砌结构在集中扭矩和表面均布摩擦扭矩作用下的扭转角和剪应力解析解。利用ANSYS建立箱型隧道衬砌结构扭转变形有限元模型,并分析截面扭转角和最大剪应力,数值模拟结果和用解析法得到的扭转角及最大剪应力吻合良好。