高溫ECAE處理鎳鈦合金的熱塑耦合有限元模擬及優(yōu)化研究.pdf

1、NiTi 合金具有優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)和偽彈性，在航空航天，機(jī)電，化工，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，NiTi 合金的強(qiáng)度高，低溫塑性差，通過常規(guī)工藝難以使其獲得優(yōu)異的綜合性能。近年來，利用等徑轉(zhuǎn)角擠壓（簡(jiǎn)稱ECAE）對(duì)鎳基合金在高溫下進(jìn)行加工處理取得了一定成效。但是，合金經(jīng)ECAE 處理過程中，其變形規(guī)律復(fù)雜，并難于觀測(cè)變形過程，擠壓工藝上尚未有明顯改進(jìn)，極大地限制了該工藝方法獲得工業(yè)化應(yīng)用。 本論文在NiTi 合金高溫

2、ECAE的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用有限元法對(duì)整個(gè)ECAE 加工工藝從前期試樣預(yù)熱，到擠壓的整個(gè)過程進(jìn)行了完全的有限元分析，取得了一系列原創(chuàng)性的研究成果。 第一，利用有限元法模擬了NiTi 合金棒料在前期加熱過程，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的理論計(jì)算。模擬結(jié)果表明：10mmX10mm 試樣加熱時(shí)間為28分鐘能夠滿足后續(xù)擠壓試驗(yàn)的溫度要求；在加熱爐溫為770℃的前提下，試樣心部溫度前期上升很快，而在1200s 后上升現(xiàn)象則不明顯；試樣在加熱爐中加熱時(shí)間超

3、過800s 后其內(nèi)部溫度分布即趨于均勻，為后續(xù)有限元模擬假設(shè)初始均勻溫度場(chǎng)提供了依據(jù)。有限元模擬得到的加熱時(shí)間與理論計(jì)算結(jié)果一致。 第二，試樣在進(jìn)行擠壓前停留在模具上的時(shí)間（停駐時(shí)間）對(duì)ECAE有重要影響。在試樣預(yù)熱溫度為750℃，模具溫度為500℃進(jìn)行ECAE時(shí)，一般總用時(shí)間不宜超過6s；同時(shí)，停駐時(shí)間在2s 以內(nèi)不會(huì)對(duì)ECAE結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。 第三，基于大變形熱塑性耦合有限元法建立了NiTi 試樣ECAE 試驗(yàn)的三

4、維有限元模型，模擬了在外接圓弧角Ψ和模具內(nèi)角Φ均為90°時(shí)不同摩擦系數(shù)下的ECAE 過程。結(jié)果表明，不論在有無摩擦情況下，沿著三個(gè)方向的截面上的等效應(yīng)變分布都不均勻；隨著摩擦系數(shù)的增大，試樣內(nèi)部的等效應(yīng)變不均勻程度有所減小，而擠壓所需的最大擠壓力急劇增大。 第四，擠壓變形熱對(duì)擠壓結(jié)果產(chǎn)生了重要影響。熱塑性耦合有限元分析結(jié)果表明：試樣在擠壓過程中因塑性變形熱造成的高溫區(qū)，與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的試樣表面發(fā)生氧化的位置一致，證實(shí)了有限元分析的

5、有效性。因此，在進(jìn)行高溫非等溫ECAE時(shí)需要考慮熱的影響。 第五，首次建立了新的近等徑轉(zhuǎn)角擠壓模型(簡(jiǎn)稱NECAE)，并用于NiTi的有限元擠壓模擬。結(jié)果表明：相比于同等條件下的ECAE 方法，NECAE 處理后的試樣主要變形段等效應(yīng)變分布更均勻，同時(shí)擠壓力曲線振幅較小，表明該方法可以起到減小模具受沖擊的效果。 本文通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析方法，對(duì)NiTi 合金擠壓的預(yù)熱過程和停駐時(shí)間進(jìn)行了有限元分析；建立了熱塑耦合的EC