TC4 titanium alloy has poor plasticity at room temperature and is a typical difficult-to-form material, so it is limited in its application. The electroplastic effect provides a new idea for the processing of difficult-to-form metals, studying on the electroplastic effect of TC4 titanium alloy under the deforming process is important. This paper explores the influence law of current parameters on the electroplastic effect and mechanical properties of TC4 titanium alloy through room temperature uniaxial tensile test, non-electric heating tension test, and electric heating tension test. Moreover, the constitutive equation of the electroplastic effect of TC4 titanium alloy with coupled temperature and pulse current density was established and verified based on the Johnson–Cook model and Arrhenius equation. The results show that the current duty ratio mainly affects the heating temperature, and the electroplasticity of materials is primarily related to the current density in the range of experimental studies. The tensile strength of TC4 titanium alloy material under the action of pulsed current decreases significantly, and the plasticity increases. High accuracy of the constitutive equation for the electroplasticity of TC4 titanium alloy based on the Johnson–Cook model and the Arrhenius equation.
随着复杂弯曲构件在航空航天等领域的广泛应用,传统弯曲技术无法满足复杂弯管的加工需求,自由弯曲技术因而得到广泛关注.相较于传统弯曲成形技术,自由弯曲技术具有灵活性高、自由程度高、效率高以及可加工复杂弯曲构件的特点.首先从三维自由弯曲技术的基本原理入手,分析了平面弯曲和空间弯曲的工艺阶段;介绍了目前国内外对于自由弯曲阶段的数值解析方程;并对工装模具的结构尺寸和加工工艺参数对成形精度和成形质量的影响进行了分析综述;介绍了对于三维自由弯曲回弹的研究和预测,最后总结了自由弯曲技术目前仍存在的问题和对以后的展望.
To improve the high cycle fatigue performance of metal matrix composites, the laser shock peened surface modification of SiC particles reinforced 2009 aluminum matrix composites（SiCp/2009Al） was used to investigate the high cycle fatigue life of three-point bending, and the evolution laws of residual stress, microhardness, surface morphology and microstructure during laser shock process were revealed. The results show that the high cycle fatigue life of laser shock peened SiCp/2009Al with laser energy of 10,20 and 30 J is significantly improved by 131%, 259% and 182%, respectively, and the corresponding surface residual stress is-127.3,-156.0 and-168.3 MPa, respectively. Laser shock induces deformation pits with depth of about 30 μm on the surface of SiCp/2009Al, the surface microhardness increases from 160 HV of the base metal to 180 HV, and a large number of high density dislocation structures appear. The residual compressive stress and microhardness of metal matrix composite surface are increased obviously, and the increase of fatigue life extension is considerable.
基于超声振动辅助微挤压成形过程摩擦特性表征需求,将超声振动辅助双杯挤压实验拆分为超声振动辅助正杯挤压和反杯挤压两个部分.通过超声振动辅助T2紫铜正杯挤压和反杯挤压的对比成形实验研究了不同超声振动模式辅助微挤压成形过程中试样-模具型腔间的界面摩擦特性,并提出一种量化评价新方法来评估超声振动辅助微挤压成形试样-模具型腔间摩擦应力及摩擦因数的变化规律.结果表明,微挤压成形应力降低值和试样-模具型腔间的摩擦应力降低值都随着超声振幅的增大而增大,且随着工具超声振动、工具-工件复合超声振动和工件超声振动的不同超声振动模式顺序依次增大.
建立了薄板V形自由折弯的有限元模型,利用拉丁超立方抽样法确定了影响折弯回弹的主要因素组合方案,利用有限元模拟的回弹角度作为样本数据,对用于预测折弯回弹角度的BP 神经网络模型进行了训练,采用平均影响值法对影响回弹角度的因素进行了敏感性分析,并利用蒙特卡罗法对折弯过程中的不可控因素进行了模拟,研究了折弯回弹角度的分布规律与变化区间.结果表明,建立的BP神经网络模型精度较高,可以准确预测V形自由折弯回弹角度;受不可控因素影响,折弯回弹角度基本符合正态分布,在置信系数为 99.73%时,角度的波动达 19.87%,表明不可控因素的波动对折弯回弹角度具有显著影响.
在 650～900℃温度区间内对重度冷变形Ni-W-Co-Ta高密度合金(总压下量 90%)进行了 16 h时效处理,借助扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、拉伸试验机和显微硬度计对不同温度时效处理前后合金的微观组织和力学性能进行了表征,探究了时效温度对合金组织和性能的影响规律.结果表明,重度冷变形可将Ni-W-Co-Ta高密度合金的晶粒细化至纳米量级.时效处理后新相Ni4W从基体析出,且该相的尺寸和体积分数随时效温度的升高逐渐增大.合金的力学性能指标随时效温度的升高先增大后减小.当时效温度为 700℃时,合金强度达到最大值,相应的抗拉强度和屈服强度分别为 2286 和 1989 MPa,显微硬度为 765 HV.时效温度为 750℃时,冷变形合金开始发生再结晶现象.合金时效处理前后断口形貌均呈现韧-脆混合型断裂特征.
针对薄壁窄深槽自由曲面构件加工依赖五轴铣削,导致制造成本高和加工效率低的问题,基于物理实验与数值仿真,探索了室温下开放式的预成形工艺,为精密成形和后续的切削加工提供合理的预制坯,提高材料利用率.设计了预成形目标构型与对应的成形工艺;利用AA6063-O铝合金压缩实验结果,拟合得到材料的流动应力模型.开发了相关程序用于计算分析预成形后零件的加工余量,以此为指标判断开放式预成形工艺下的零件精度.揭示了模具几何参数对成形质量的影响.实验结果与仿真结果基本吻合,预成形设计轮廓被数值仿真得到的轮廓完全包络,表明所建立的预成形工艺方案是可行的.
针对传统耐候钢研发实验复杂、时间长和成本高等问题,提出了一种基于机器学习和多目标优化的耐候钢性能预测和逆向设计模型,同时附加物理冶金学参数指导建模过程,构建了优化后的SVR、RF和GPR模型预测耐候钢的力学性能和耐腐蚀性能,基于正向预测模型,利用SPEA2 实现了对屈服强度、抗拉强度、伸长率和相对腐蚀速率的协同优化.结果表明,相较于最优SVR和RF模型,GPR模型与物理冶金学的耦合可实现耐候钢力学性能的高精度预测,显著降低模型过拟合程度,从而提高泛化性,在抗拉强度测试集中有 95.19%的样本相对误差在 10%以内,最优模型中决定系数达 97.67%.针对耐腐蚀性能预测提出的回归和分类模型均表现出较高的预测准确率,GPR模型中有 80.4%的样本相对误差在 8%以内,GA-SVM模型的平均分类准确率达到 80.93%.利用SPEA2 可实现对Q700NH高耐候钢的成分和工艺设计,在该成分与工艺体系下,实验钢具备优异的力学性能和耐腐蚀性能,实现了耐候钢低成本高效率的研发设计.
为了提高蜂窝结构的面内吸能性和承载能力,通过在铝蜂窝孔中添加不同类型的加强筋板,设计了 6 种增强蜂窝结构.通过非线性有限元计算模拟的方法对比分析了在相同相对密度、面内不同方向加载和不同冲击速度下,增强蜂窝结构的动态响应和能量吸收特性.模拟结果表明,增强蜂窝结构可以在低速冲击下表现出传统蜂窝结构高速冲击下的逐层压溃现象,使蜂窝材料获得更高的平台应力.增强结构对蜂窝材料面内强化效果显著不同,加强筋板结构可以使蜂窝结构获得更好的吸能性,与传统蜂窝相比,特别是低速冲击状态下,增强蜂窝结构相较于同等质量下的均匀蜂窝结构,比吸能最高可以提升54.42%,表明加强筋板结构可以有效提升蜂窝的抗冲击性能和能量吸收能力.
为研究不锈钢和低合金高强钢双金属的高温变形行为,对 316L/Q420 双金属进行了温度为 950～1150℃、应变速率为0.01～10 s-1、最大变形量为 50%的单向热压缩试验,通过观察试验结果,研究了该双金属的热变形行为,进而构建了基于Z参数的Arrhenius本构方程,并应用动态材料模型和Prasad失稳判据绘制了应变分别为 0.1、0.3、0.5 和 0.7 时的热加工图.结果表明,316L/Q420 双金属热变形具有典型的动态再结晶型特征,流变应力随温度的升高和应变速率的降低而减小;根据所建本构方程得到的预测应力与试验值之间有良好的线性相关性.对应热加工图,综合分析了碳钢侧微观组织状态和脱碳层厚度,确定了最优热加工工艺窗口为:变形温度为 1110～1150℃,应变速率为 1.284～10 s-1.
为了解决传统拼焊制造超薄壁不锈钢波纹管弹性差、寿命短、易破裂等问题,采用液压成形技术成形超薄壁不锈钢波纹管件.针对超薄壁不锈钢波纹管件截面形状复杂以及管壁易失稳起皱破裂的成形难点,设计了不同的加载路径.利用CATIA进行建模,使用Dynaform有限元分析软件进行数值模拟.基于波纹管成形过程中的波高与壁厚减薄情况研究了模具间隙、预胀形内压和整形压力对成形质量的影响规律.试验结果表明,对于复杂异形截面的填充,管内压强和轴向进给的增大有利于材料流动进入圆角区域以及管坯与模具的贴合.对于内径 Φ50 mm,壁厚 0.4 mm的复杂截面波纹管,预胀形内压7.5 MPa,整形压力 20 MPa,轴向进给为 20 mm为最佳参数匹配.开展了相关试验,验证了模拟结果与试验结果相符,获得的波纹管满足尺寸与性能的需求.
为了厘清过载形式及裂尖晶体的晶粒取向对裂尖塑性区和疲劳性能的影响,采用基于晶体塑性有限元的子模型方法对裂尖塑性区进行了分析.首先,构建了具有随机微结构的多晶代表性体积单元模型并对其中的Chaboche模型与晶体塑性循环本构模型参数进行了识别.然后,应用子模型方法对裂尖位置进行了不同特征的晶粒取向分析以总结不同滑移系下的累积剪切应变.最后,结合过载行为对比了不同晶粒取向下的裂尖过载效应.结果表明,在拉伸过载、拉伸-压缩过载与压缩-拉伸过载中,拉伸过载均对抑制裂纹起主导作用.此外,应力集中倾向于发生在"硬"晶粒内,而应变集中往往位于"软"晶粒内,其中应变集中的晶粒取向趋势主要集中在反极图中的[001]方向.当裂尖晶体的晶粒取向倾向于"软晶粒"时有利于进一步优化拉伸过载的裂纹延迟效应.
采用自主研制的销盘差温摩擦磨损装置模拟了实际热冲压界面处的不对称温度工况,对H13 钢与镀层(GA、Al-Si)硼钢进行了时间为 900、1500 和 2100 s的差温摩擦磨损试验.并对磨损后镀层硼钢的表面粗糙度、化合物、磨损形貌以及摩擦因数进行了分析.结果表明,随着时间的增加,两种镀层钢板的摩擦因数均呈现先减小后上升,最后波动稳定的趋势.在摩擦过程中,由于Al-Si镀层更早地完成液态-固态的转变,Al-Si镀层稳定阶段的平均摩擦因数较GA镀层更低;随着摩损时间的增加,两种镀层钢板的表面磨损程度不断加剧,磨损机制均发生了由轻微氧化磨损向严重剥层磨损的转变.
选取传统高强度双相钢HC420/780DPD+Z和与其化学成分相同、组织存在一定量残余奥氏体差异的HC440/780DHD+Z为研究对象,研究了残余奥氏体对高强度双相钢断裂失效性能的影响.设计了 5 种表征不同断裂失效状态的试样,测试获得各试样的临界断裂应变和力-位移曲线;采用有限元法搭建了试样模型,并对比了试验和仿真关键参数误差,验证了模型的准确性.通过模型获取了各试样断裂单元的应力三轴度和临界断裂应变;基于MMC断裂失效模型拟合获得断裂失效曲线;采用90°V型弯曲试验和仿真对比分析验证了断裂失效曲线的准确性.结果表明,残余奥氏体组织加入后,高强度双相钢的抗拉强度基本保持不变,断后伸长率、强塑积和应变硬化指数明显提升;断裂失效性能明显提升,相同应力三轴度的极限断裂失效应变明显提高;90°V型弯曲模型获取的临界塑性应变与断裂失效曲线提取的数值一致,表明所获得的断裂失效曲线是可靠的;在基体组织中引入一定量的残余奥氏体组织有助于提升高强度双相钢碰撞过程中的承载吸能特性.
针对传统管件电磁胀形存在的壁厚减薄以及轴向变形不均匀的现象,提出了基于凸形集磁器的管件电磁胀形方法,通过调控径向电磁力分布以及轴向电磁力协同加载,为同时改善管件的壁厚减薄量过大和轴向变形不均匀提供了新的技术途径.为验证成形有效性,利用COMSOL软件构造了管件二维轴对称电磁-结构耦合模型,对比分析了有无凸形集磁器时径、轴向电磁力分布、轴向变形均匀性和壁厚减薄量变化,并研究了凸形集磁器内外壁高度对管件成形的影响.结果表明,相较于传统管件胀形,新成形方法下管件轴向变形均匀性提高了 4.2 倍,壁厚减薄量减小了 33%.
对喷射态 2050 铝合金进行了温度为 350～530℃,应变速率为 0.01～10 s-1 的热压缩实验,分析了试样表面开裂情况及其与应力-应变曲线间的关联性.结果表明,应变速率低于 1 s-1 时,变形温度越高、应变速率越低,试样表面越容易开裂.试样在应变速率为 0.01 s-1、温度为 470℃压缩时表面出现了肉眼可见的微裂纹;随着温度增加至 530℃,试样开裂程度加剧.在温度为 530℃时,随着应变速率由 0.01 s-1 增加至 10 s-1,试样开裂程度先减小后增大,应变速率为 1 s-1 的试样开裂程度最小.应变速率一定时,不同温度下应力-应变曲线变化趋势基本一致,变形温度越低、应变速率越大,变形抗力越高,温度为 350℃、应变速率为 10 s-1 时峰值应力最高,为119.8 MPa,温度为530℃、应变速率为0.01 s-1 时峰值应力最低,为15.3 MPa.对比开裂与未开裂试样的应力-应变曲线,未发现试样表面开裂对应力-应变曲线造成明显影响,可见应力-应变曲线不能反映热压缩过程中试样表面的开裂情况.
对变形态AZ31 镁合金进行温度为400℃、冲击气压为0.6 MPa的三向单次冲击,分析了三向单次冲击载荷下的变形机制、组织和织构演变规律.结果表明,三向单次冲击过程中主要发生孪生和再结晶,其中第 2 向冲击时发生退孪晶现象;第 1 向冲击时的主要变形机制为二阶锥面滑移和拉伸孪生,第 2 向冲击时拉伸孪生被棱柱面滑移替代,第 3 向冲击时主要变形机制为二阶锥面滑移、拉伸孪晶和棱柱面滑移.经过第 1 向冲击后,主要的织构组分仍然保持初始织构的{0001}<10-10>和{0001}<2-1-10>织构组分,由于发生孪生,基面组分极密度弱化,且增强了{01-10}<0001>织构组分,第 2 向冲击后,主要织构组分保持不变,由于发生退孪生,基面组分极密度增加,第 3 向冲击后,孪生和再结晶引起织构组分变为以{01-10}<2-1-10>为主,同时形成c轴偏离ND的弱织构.
为根据具体情况建立合适的非对称截面Z型材滚弯回弹本构模型,解决铝合金型材成形过程中波动性较强的问题以及滚弯成形件卸载后不可避免的回弹变形导致的滚弯成形件实际外形尺寸偏离几何设计要求的问题,通过综合考虑型材材料属性、截面几何特征和模型构建等因素,基于材料的各向同性弹塑性本构模型,采用VUMAT显式分析法对型材的动态本构模型进行了二次开发.通过将ABAQUS二次开发获得的回弹预测结果与实验数据、理论数据、内核处理数据和VUMAT子程序数据进行对比,预测了滚弯回弹半径.在相同目标成形半径下,回弹预测最大相对误差从 3.34%减小到 2.83%.
基于Haynes230 镍基合金 760℃下的拉伸和疲劳实验结果,讨论了拉伸过程中的动态应变时效(DSA)效应以及不同应变幅值下的循环硬化特性,采用ABAQUS有限元软件对拉伸和疲劳特性进行了模拟.实验结果表明,Haynes230 镍基合金在 760℃拉伸过程中表现出明显的DSA效应,最大应力跌幅为 3.8 MPa.在单轴疲劳过程中,材料表现出明显的循环硬化现象.采用ABAQUS有限元软件和基于热激活位错运动的指数流动准则对拉伸过程中的DSA效应进行了模拟.模拟结果与实验结果吻合很好,整个拉伸过程最大应力误差仅为3.9%,最大应力跌幅为9.3 MPa.选择Chaboche混合模型进行了应变范围0.6%和 0.8%下的循环硬化模拟计算,模拟得到的前 100 周次内峰值应力的平均误差分别为 4.3%和 3.4%.
使用Gleeble-3500 热模拟试验机对TC21 钛合金在温度为 890～990℃、应变速率为 0.01～10 s-1 下进行了热模拟压缩实验,研究了该合金的高温流变行为.在变形条件下,该合金的流变应力随应变的增大逐渐增加,在达到峰值后又逐渐减小.基于实验数据,分别采用Arrhenius模型和修正Johnson-Cook模型构建了TC21 钛合金本构模型,并对这两个模型的预测精度进行了分析对比.结果表明,修正 Johnson-Cook 本构模型预测值的平均绝对相对误差 eAARE 为 7.2078%,相关系数 r 为0.96866;Arrhenius本构模型预测值的eAARE 为 12.6699%,r为 0.95794,修正Johnson-Cook本构模型的精度高于Arrhenius本构模型,且在整个参数范围内具有一定的精度,可以较好地描述TC21 钛合金的高温流变行为.
