高壓扭轉(zhuǎn)制備超細(xì)晶塊體材料過程仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.pdf

1、超細(xì)晶塊體材料(ultrafine-grained materials，UFG)具有高強(qiáng)度和良好的塑性以及低溫超塑性等優(yōu)異的力學(xué)性能和加工性能，成為目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。近年來出現(xiàn)了一系列超細(xì)晶塊體材料的制備技術(shù)，在眾多大塑性變形法(Severe plasticdeformation，SPD)中，高壓扭轉(zhuǎn)（High Pressure Torsion，HPT）可制備出亞微米或納米塊體超細(xì)晶材料，由于制備原理及工藝簡(jiǎn)單，材料具有獨(dú)特

2、顯微結(jié)構(gòu)、優(yōu)良物理及力學(xué)性能而備受關(guān)注。
　　材料的性能與塑性變形程度密切相關(guān)，所以材料彈塑性應(yīng)變過程對(duì)于高壓扭轉(zhuǎn)致超細(xì)晶材料制備機(jī)理研究至關(guān)重要，隨著計(jì)算機(jī)和有限元分析的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真技術(shù)已成為一種主要研究手段。
　　基于此，本文采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真技術(shù)，利用兩種有限元軟件(ANSYS和DEFORM)，對(duì)兩種材料（純銅和IF鋼）的高壓扭轉(zhuǎn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。揭示材料在高壓扭轉(zhuǎn)過程中的變形規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了

3、模擬結(jié)果的可靠性。
　　本文主要研究結(jié)果如下:
　　(1)試樣經(jīng)高壓扭轉(zhuǎn)變形后（壓縮階段和扭轉(zhuǎn)階段），硬度和顯微組織不均勻分布，呈現(xiàn)“漏斗狀”分布特征:心部晶粒粗大，硬度比較低;邊緣處晶粒細(xì)小，塑性變形程度大，硬度很高;中間區(qū)域晶粒及硬度分布較為均勻。同時(shí)，試樣變形過程中模擬結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變不均勻分布驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　(2)試樣經(jīng)高壓扭轉(zhuǎn)變形后，在試樣心部的表面位置存在軟區(qū)，隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加而減小;但在試樣心部中心

4、部位會(huì)出現(xiàn)硬度高峰(Hardness Hill)區(qū)域。試樣變形過程中硬度變化規(guī)律和組織演變研究結(jié)果表明:隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，大塑性變形區(qū)會(huì)由試樣邊緣向心部逐漸延伸。有限元模擬結(jié)果也驗(yàn)證了該規(guī)律的可靠性。
　　(3)對(duì)不同摩擦因數(shù)下試樣表面上的等效應(yīng)變分布進(jìn)行有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn):變形過程中，摩擦在扭轉(zhuǎn)階段對(duì)試樣變形的影響更為顯著;摩擦在試樣邊緣所起的作用最大;存在一個(gè)臨界摩擦因數(shù)區(qū)間(0.9～1.5)，當(dāng)此區(qū)間內(nèi)，摩擦因數(shù)對(duì)等效應(yīng)

5、變影響最大。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果均證明試樣扭轉(zhuǎn)過程中下表面的變形要滯后于上表面，并用不同的摩擦狀態(tài)對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了分析探討。
　　(4)對(duì)主應(yīng)力法進(jìn)行修正，提出一種相對(duì)可靠的理論計(jì)算模型，并用來研究高壓扭轉(zhuǎn)試樣上的正應(yīng)力分布。經(jīng)過公式推導(dǎo)，獲得試樣表面三個(gè)不同區(qū)域（滑動(dòng)區(qū)、制動(dòng)區(qū)和停滯區(qū)）的正應(yīng)力分布關(guān)系式。將主應(yīng)力法應(yīng)用到壓縮階段，發(fā)現(xiàn)試樣表面只存在制動(dòng)區(qū)和停滯區(qū)。另外，對(duì)比了有限元法和主應(yīng)力法在接觸面上的正應(yīng)力分布，相互驗(yàn)證了其