NiTiNb形狀記憶合金管滾珠旋壓成形數(shù)值模擬研究.pdf

1、NiTiNb形狀記憶合金是在二元鎳鈦形狀記憶合金的基礎(chǔ)上加入鈮元素形成的一種新型形狀記憶合金，繼承了鎳鈦形狀記憶合金優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)、超彈性、耐腐蝕性和優(yōu)異的力學(xué)性能的同時(shí)，還具備寬相變滯后的獨(dú)特性能。因而作為管接頭的典型應(yīng)用， NiTiNb形狀記憶合金管在航空航天領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。然而，NiTiNb形狀記憶合金管的加工制造具有一定的復(fù)雜性，因而迫切需要選擇合適的加工工藝制備鎳鈦鈮形狀記憶合金管。作為一種連續(xù)局部塑性成形工藝，滾

2、珠旋壓能夠加工出高精度、高質(zhì)量的薄壁管材，有效解決了 NiTiNb形狀記憶合金薄壁管材難以加工制造問題。為更加快速、方便地分析鎳鈦鈮形狀記憶合金薄壁管滾珠旋壓變形規(guī)律，優(yōu)化工藝參數(shù)，加工出高質(zhì)量的薄壁管，采用有限元模擬技術(shù)無疑是行之有效的途徑。本課題基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的宏觀唯象本構(gòu)理論，通過建立 NiTiNb合金高溫本構(gòu)方程，并使用剛粘塑性有限元法對(duì)NiTiNb形狀記憶合金薄壁管滾珠旋壓進(jìn)行模擬分析，為通過滾珠旋壓制造NiTiNb形狀記憶

3、合金薄壁管奠定科學(xué)的理論基礎(chǔ)。
　　本課題所用的實(shí)驗(yàn)材料為軋制成形的NiTiNb形狀記憶合金棒材，其原子百分比為Ni:Ti:Nb=47:44:9。該合金的相變溫度為 Ms=-86.3℃， Mf=-116.5℃， As=-52.9℃， Af=-18.7℃。通過INSTRON-5500R試驗(yàn)機(jī)對(duì)NiTiNb合金試樣(直徑為6mm，高為9mm)分別在溫度為700℃、800℃、900℃、1000℃和應(yīng)變速率為0.0005s-1、0.005

4、s-1、0.05s-1、0.5s-1條件下進(jìn)行等溫壓縮實(shí)驗(yàn)，由壓縮數(shù)據(jù)作出真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。從曲線圖中可以看出， NiTiNb合金對(duì)溫度和應(yīng)變速率非常敏感。
　　提取壓縮數(shù)據(jù)的峰值應(yīng)力，采用修正后的雙曲正弦Arrhenius方程建立NiTiNb合金高溫本構(gòu)方程，利用線性擬合方法得到本構(gòu)方程中的常量：A=1.642836×109，α=7.188×10-3(MPa-1)，n=4.19566，Q=2.4235×105(J/mol)。提

5、取不同應(yīng)變（0.2、0.5、0.8）下的應(yīng)力值，基于動(dòng)態(tài)材料模型DMM理論，構(gòu)建NiTiNb形狀記憶合金的熱加工圖，通過對(duì)熱加工圖的分析，得到該合金的合理加工溫度為850℃。
　　采用剛塑性有限元法，運(yùn)用有限元模擬軟件DEFORM3D對(duì)NiTiNb形狀記憶合金薄壁管的滾珠旋壓成形進(jìn)行模擬，主要對(duì)三個(gè)滾珠旋壓工藝參數(shù)（滾珠直徑、減薄量、進(jìn)給比）模擬，通過對(duì)比分析得到 NiTiNb形狀記憶合金薄壁管的滾珠反旋壓成形的最佳工藝參數(shù)：滾珠

6、直徑為22mm、個(gè)數(shù)5個(gè)，減薄量為0.4mm，進(jìn)給比為1.6mm/r。對(duì)壁厚為2mm的管坯進(jìn)行多道次滾珠反旋壓模擬，模擬時(shí)每道次減薄量為0.3mm，共三個(gè)道次，總壁厚減薄率為45％，解決了單道次大減薄量造成的隆起、剝皮缺陷。
　　本論文還對(duì)內(nèi)外管都為1mm的NiTiNb復(fù)合管進(jìn)行滾珠旋壓模擬，復(fù)合管旋壓件質(zhì)量還需考慮內(nèi)外管界面結(jié)合的質(zhì)量和錯(cuò)動(dòng)量，通過對(duì)不同減薄量、滾珠直徑、進(jìn)給比的模擬結(jié)果對(duì)比分析得到 NiTiNb形狀記憶合金復(fù)合