基于变形均匀性的锻造过程微观组织优化方法及其应用

在中国国家自然科学基金项目《锻造成形微观组织优化方法研究及应用》资助下，为提供一种控制锻造成形制品微观晶粒尺寸的理论方法和途径，开展基于变形均匀性的锻造过程微观组织优化研究。 锻造生产除保证产品的基本形状要求外，更重要的是通过材料的塑性变形提高产品的综合机械性能。因此，金属塑性成形过程微观组织模拟与优化研究具有应用价值。 在描述金属在高温塑性变形中组织变化机制基础上，提出材料在热锻成形过程中动态再结晶、静态再结晶，以及晶粒长大等微观组织演变机理。金属塑性变形是以位错运动实现的。随着变形的进行，位错密度不断增加，高位错密度聚集的能量使材料处于不稳定状态。对于低层错能金属(碳钢)的热塑性变形，因其动态恢复缓慢而不能充分消除高密度层错能，动态恢复之后紧接着会出现动态再结晶现象。未能经过动态恢复和动态再结晶充分软化的金属停止变形后，其组织将发生静态再结晶。再结晶过程完成后的新组织是亚稳定的，为获得更稳定的组织，需要释放晶粒内部的潜能。因此，再结晶完成后，要发生进一步的晶粒长大来减少单位体积内的晶界面积。     

材料动态变形中的绝热剪切带研究现状

对材料动态变形中的绝热剪切带研究现状进行了大致的总结。从绝热剪切产生机理和失稳判据、剪切带内微观织构、实验技术研究与发展与数值模拟四个方面对目前的研究进行了总结与比较,认为热粘塑性本构关系应该考虑微观结构变化及材料的应力状态,才能够有效地分析微观结构变化对宏观变形局域化的影响;绝热剪切带内部组织结构和微观结构变化的研究仍旧存在不足,绝热剪切带微观组织的演化进程不够明确;数值模拟技术考虑的影响因素不够全面等。对绝热剪切带的发展趋势提出了自己的见解。     

球化20碳钢的低周疲劳循环特性

本文研究了球化20碳钢在应变控制低周疲劳过程中的循环特性及微观结构变化,探讨了球化20碳钢循环硬化/软化的机理。研究表明:当总应变幅在0.002—0.012范围时,在整个循环过程中材料一直表现为循环软化;当总应变幅在0.014—0.02范围时,在循环的开始几周材料表现为显著的循环硬化,在随后的过程中材料则表现为循环软化。应力—应变曲线分析及透射电镜观察表明:材料在低应变幅下的软化同与屈服现象相关的不均匀变形有关。特殊位错结构的形成是产生不均匀变形及循环软化的根本原因。材料在高应变幅下于起始几周表现出的硬化是位错密度急剧增加的结果;随后过程中表现出的软化则与位错胞的形成及位错胞进一步发展成小角度晶界有关。     

微观状态下钢切削数值模拟及切削机理研究

基于Voronoi图建立了正火AISI1045钢的微观组织结构的切削仿真模型。通过对比切削模型中的切削力和切屑形态等参数，验证了材料微观组织结构切削建模的可行性。基于此模型分析了金相组织的应力以及应变分布规律，探讨了相界处金相组织的应力与应变关系以及切削加工后的表面粗糙度。结果表明，应力主要集中在珠光体内部、相界和变形区；铁素体中的应变比珠光体的大，在相界处，剪应力发生了逆转，珠光体中的剪应力比铁素体大；切削后的表面在珠光体和铁素体处分别呈现凹和凸的状态。     

热成型过程中微观组织演变统一本构模型的建立

在金属热加工过程中，材料会发生粘塑性变形。在成形过程中，材料的微观组织会发生动态变化，在成形间隙或者后期材料的微观组织会发生静态变化。现代技术要求能够预测成型部分的微观组织。在文中，会展示由材料学家们提出的各种各样的模型，他们可以用来模拟个体微观物理因素，例如在静态和动态过程中晶粒尺寸的成大、位错密度的增加、回复、再结晶以及沉积物的溶解。现代技术已经将基于微观结构的因子应用于塑性流变模型中，形成了一套统一的塑性流变方程。通过子程序，可以用来模拟在热加工过程中微观组织的变化。在本篇论文中详细叙述三种模型，他们模拟了在超塑性过程中晶粒尺寸的成大、在热轧制过程中微观组织的变化、热处理后沉积物的溶解以及这些变化对铝合金塑性流动的影响。     

金属材料低周疲劳生热的有限元数值模拟

由于热弹塑性效应的存在,使得材料在低周疲劳载荷作用下发生的力学变形将导致材料温度发生变化,因而可通过观测温度变化判明材料的累积疲劳损伤。基于此,采用叠加各向同性强化模型的非线性随动强化模型作为循环载荷下的材料力学本构模型,以有限元软件ANSYS为平台,对SS304不锈钢平板试件在控制应变循环载荷作用下的热弹塑性效应进行数值模拟,着重分析一个载荷周期内导致材料温度发生变化的各种机制。结果表明,在一个载荷周期内,若材料处于弹性变形范围内,则引起材料温度变化的只有弹性拉伸和弹性压缩两种机制,且弹性拉伸引起温降,弹性压缩引起温升;若材料处于弹塑性变形范围内,则塑性拉伸、弹性压缩和塑性压缩导致材料温度上升,弹性拉伸导致温度降低。在整个载荷周期内,热弹性效应导致材料温度发生波动,热塑性效应导致材料平均温度升高。此外,若将材料温度的变化信息叠加到应力-应变变化的信息上,还可判明材料的屈服强度以及材料在载荷作用下所处的应力状态,如弹性拉伸、塑性拉伸、弹性压缩以及塑性压缩等状态。     

高锰无磁钢的循环变形特征及其机制

研究了高锰无磁钢的循环变形特征,以及微观组织结构的变化。发现当应变幅较低(1/2Δεt为0.25%和0.5%)时,室温下出现循环软化,但在低温下循环硬化;当应变幅较高(1/2Δεt＝1.0%)时,在室温和低温下均循环硬化。实验材料的软化与IS结合体被破坏而产生的软化相符;循环硬化来源于形变马氏体的产生,在较高应变幅下还包括奥氏体基体的位错硬化。     

微观组织演变元胞自动机模拟研究进展

金属的微观组织是决定其宏观力学性能的主要因素,在热塑性变形过程中,金属的微观组织会发生动态回复、动态再结晶、静态回复和静态再结晶等一系列变化,形成新的晶粒。在材料成分一定的条件下,影响晶粒演化的外部因素是温度、应变和应变速率。因此,如何通过控制热塑性变形过程中的温度、变形量和变形速度,来达到控制微观组织及产品力学性能的目的,已成为塑性加工领域的热点研究问题,在非连续热塑性变形中尤其如此,乃至于成性的重要性远大于成形。简述元胞自动机(Cellular automata,CA)方法的基本原理及思想,概述CA法在微观组织模拟中的建模方法及应用,特别是CA法在静态再结晶,动态再结晶过程中模拟晶粒生长的研究进展。同时,指出目前研究中存在的亟须解决的几个问题,展望CA法模拟微观组织演变的发展趋势。     

奥氏体不锈钢的低温循环硬化

本文对奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti进行了应变疲劳试验,研究了循环变形过程中的微观结构变化以及循环硬化机理。1Cr18Ni9Ti在室温和低温下均发生循环硬化。经室温和低温应变疲劳可形成α′马氏体和ε马氏体,ε马氏体极少,α′马氏体形貌为板条状和短快状。1Cr18Ni9Ti循环硬化机制为,随循环周次增加,α′马氏体的不断形成使得材料发生硬化,当新形成的马氏体造成的硬化和先形成的马氏体在随后的循环中发生的软化达到动态平衡时,即达到了循环硬化饱和状态。     

深冷处理对W9Mo3Cr4V刀具耐磨性能影响的研究

采用微机控制的刀具深冷处理装置对W9Mo3Cr4V高速钢成品刀具进行深冷处理研究。对深冷处理后的刀具和未经深冷处理的刀具在硬度、耐用度及金相显微结构方面进行了实验对比。结果表明，深冷处理可以改变高速钢刀具材料的微观组织结构，并在一定程度上提高刀具材料的硬度，增强刀具材料的耐磨损性能。分析了产生这种变化的机理。     

小变形循环载荷下Q235材料特性的试验研究

为进一步挖掘材料的承载能力,以焊接结构常用材料Q235为研究对象,通过应变控制下的循环加载试验,得到了Q235在小变形量循环载荷作用下的应力应变曲线及特征,应力随循环周次的变化规律,并给出了相应的数学模型。试验结果表明,Q235在小应变对称循环载荷作用下表现出循环硬化特性和包申格效应,随循环周次的增加,循环硬化速率和包申格能量参数变化率最终均会达到一个稳定值;Q235在小应变非对称循环载荷作用下的变形特征,可以看作是其对应变初值和对称应变循环载荷叠加作用的响应,且随循环周次的增加,材料响应应力峰值与屈服应力逐渐回归于相同幅值对称应变作用下的相应数值。     

金属电极材料对YSZ氧传感器性能的影响

借助循环伏安和计时电流方法,研究了金属电极材料对YSZ氧传感器性能的影响。结果表明,在500℃和空气条件下,Ag-1%Pd/YSZ电极由于具有合适的微观结构以及较强的氧扩散能力,使其无论是作为YSZ氧传感器的阳极还是阴极,性能均为最好,而Au/YSZ电极最差;各金属/YSZ电极具有相似的阳极极化计时电流曲线,其电流密度值在10 s之内即可达到平稳;随着阳极阶跃极化电位增大,使得参加电极还原反应的氧原子数量增加,从而导致Ag-1%Pd/YSZ电极电流密度稳定值亦增大。     

双相不锈钢各组相循环变形行为的纳米压痕试验和有限元表征方法研究

对双相不锈钢的奥氏体相和铁素体相，分别开展了不同加载模式（接触载荷和压入位移）和不同加载波形下的单向、循环纳米压痕试验，对比分析了两相的基本力学性能和压痕循环变形行为的演化规律。基于压痕试验结果和修正ABDEL-KARIM-OHNO非线性随动硬化准则的弹塑性本构模型，提出一套双相不锈钢奥氏体相和铁素体相的塑性和循环塑性行为的本构模型参数表征方法。通过对微结构代表性体积单元整体拉伸和循环变形行为进行模拟，并与宏观试验结果对比，验证了参数表征方法的合理性。研究结果表明，铁素体相的强度、硬度和抗棘轮变形的能力均高于奥氏体相，两相之间通过晶界产生一定的交互作用；在接触载荷控制的循环加载条件下，奥氏体相与铁素体相均产生明显的压痕棘轮现象，且载荷水平越高压痕棘轮变形程度越大；所发展的本构模型参数表征方法可为研究多相材料各组相、小体积材料的循环变形行为提供借鉴和参考。     

铸辗复合成形法兰坯高温变形行为及加工图

环件铸辗复合成形工艺具有缩短工艺流程、高效和节能节材等优点,研究铸态环坯在铸辗复合成形工艺下的高温变形行为,揭示其组织演变机理,是实现材料在该成形工艺中成形与成性的关键。在不同变形条件下对砂型铸造和离心铸造Q235B法兰坯进行高温压缩试验,分析其流变应力的变化,推导出二者的本构方程。综合变形温度和应变速率对材料微观结构与性能的影响,建立基于动态材料模型的加工图。试验结果表明:二者的流变应力随着应变速率的增加和变形温度的降低而增大。离心铸造法兰坯的流变应力较低,动态再结晶易于发生,且功耗效率值及其变化幅度都要大于砂型铸造,表明了其显微组织变化剧烈,演变更加充分。结合二者的热加工图及其识别出的典型区域显微组织,获得了适合该法兰坯辗扩工艺的热力参数范围,离心铸造可为法兰坯铸辗复合成形工艺提供高质量的铸坯。     

904L不锈钢形变奥氏体的亚结构演化及其对宏观流变应力的影响

为了揭示动态再结晶行为的本质及其对流变应力的影响,选取904L奥氏体不锈钢为研究对象,针对奥氏体在不同工艺下的热变形行为以及变形组织和再结晶组织的亚结构进行深入研究。结果表明材料的宏观应力-应变曲线在特定条件下不能准确反映微观尺寸上的动态再结晶行为。EBSD分析表明动态再结晶晶粒中亚结构特征以取向差角小于1°为主,呈周期性分布,且这种特征不会随晶粒自身长大或应变的增加而发生明显改变,即具有较好的稳定性;而变形组织中亚结构的取向差角明显增大,频繁出现大于1°的小角晶界,局部取向差角的分布范围也增大至1°～4°,即几何必需位错密度显著增加。尽管无论何种工艺下晶界均为再结晶的优先形核位置,但形核条件是不同的。对于完全再结晶组织来说,新的再结晶晶粒形核只需晶界出现局部“弓出”或弯曲;而在原始变形组织中,出现再结晶形核的晶界均存在微区高应变。     

Investigation the complex dynamic evolvement mechanism of particle cluster and surface integrity in the chemical mechanical planarization

The surface planarization in the chemical mechanical planarization is mainly realized by the mechanical effect which depends on the micro-tribology behavior of nanoparticles. The material removal rate is decreased and micro-scratch is generated in the wafer surface due to the agglomeration of particles. The slurry particles hold definite energy level and microstructure which makes the classical materials processing theory unable to give reasonable explanation about this process. Large-scale classical molecular dynamic simulation of interaction among nanoparticles and solid surface has been carried out to investigate the evolvement mechanism of particle cluster and surface planarization. It is showed that the particle aggregation behavior is a size-dependent process because of the high ratio of surface atoms to bulk atoms which leads to the active reactivity and catalytic activity of nanoparticles. The substrate materials (nanoparticle) become transforming from low-energy stable system to high-energy unstable system after the two-body collision which is favorable for aggregation process. There exists obvious geometry boundary between the particle elements in the large aggregates and only the dendritic aggregates formed. The larger particles have definite microstructure and additional internal degree of freedom which can be used to take up, store, and transfer energy, thus lower the activity of chemical reaction which weaken the particle aggregation process.     

Investigation of transfer phenomenon by X-ray photoelectron spectroscopy and tribological properties of polymers sliding against polymers

Tribological properties of polymeric materials were investigated with various polymer-polymer combinations by means of a pin-on-disk wear testing apparatus. The specific wear rate was related to the cohesive energy density of the polymeric materials, but hat of a given polymer slider was dependent on the mated polymeric materials, and a high wear rate was observed in the sliding against a polymer counterface with higher cohesive energy than that of the slider. By means of X-ray photoelectron spectroscopy it was confirmed that the polymer transfer did occur on the mated polymer, and the degree of covering of the track with transfer films could be estimated. The covering ratio with transfer films was dependent on the polymer-polymer combinations. Poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) transfer film on various polymers was very effective in reducing friction irrespective of the covering with the transfer films. With the other polymers, high density poly(ethylene) (HDPE), poly(propylene) (PP), and polyacetal (PAc), the transfer film was less effective in reducing friction than PTFE transfers and friction in the steady state dependent on the polymer-polymer combinations.     

Energy dissipation in quasielastic materials during cyclic rolling

The relationship between the density of the energy absorbed by the contact pair during cyclic rolling and the structural-mechanical characteristics of the surface layer on the deformable material is established experimentally and theoretically within the framework of the concept of dislocation nonelasticity as a cause of hysteretic losses in quasielastic materials. It is shown that the energy losses in the subsurface layer in a material with a high yield stress depend on the contact pressure, yield stress point, and dispersion of distribution of dislocations based on the starting stresses.     

GS-20Mn5钢非对称循环应力-应变本构模型及其应用

在实际工程中,机械结构件承受反复载荷时,内部往往是非对称的应力应变状态。在非对称循环加载条件下,材料不仅会表现出循环软/硬化特性,还会表现出平均应力松弛行为。这会影响其在循环稳定状态下的力学性能,进而影响结构在相应工况下承载服役的强度安全性。针对大型压机本体结构常用GS-20Mn5钢进行了单向拉伸及应变比R为0.5,应变幅0.20%、0.25%、0.27%、0.30%和0.40%的非对称应变循环加载试验研究,分别构建了基于单向拉伸试验结果的A-F随动硬化模型,以及基于非对称循环加载的Landgraf模型来描述其平均应力松弛特性,将其应用到Ramberg-Osgood公式中,结合A-F非线性随动硬化模型,建立了非对称循环加载条件下对应于循环应力-应变曲线的本构模型,并确定了相应模型参数。针对承受非对称循环载荷的某大型锻造液压机上横梁,应用所建立的本构模型分别进行了安定性数值分析,评估了其在循环载荷下的弹塑性强度安全性。结果显示,与采用单向拉伸条件下的A-F模型时的计算结果相比,采用非对称循环应力-应变本构模型时上横梁的安定极限载荷提高了约7%。     

On constitutive modeling for springback analysis

The springback phenomenon that occurs in thin metal sheets after forming is mainly a stress driven problem, and the magnitude is roughly proportional to the ratio between residual stresses and Young's modulus. An accurate prediction of residual stresses puts, in turn, high demands on the material modeling during the forming simulation.A phenomenological plasticity model is made up of several ingredients, such as a yield condition, a plastic hardening curve, a hardening law, and a model for the degradation of elastic stiffness due to plastic straining.The authors of this paper have recently, [1], showed the importance of a correct modeling of a cyclic stress-strain behavior via a phenomenological hardening law, in order to obtain an accurate stress prediction. The main purposes of the present study are to study the influence of two other constitutive ingredients: the yield criterion and the material behavior during unloading. Three different yield criteria of different complexity are evaluated in the present investigation: the Hill’48 criterion, the Barlat-Lian Yld89 criterion, and the 8-parameter criterion by Banabic/Aretz/Barlat.The material behavior during unloading is evaluated by loading/unloading tension tests, where the material is unloaded/reloaded at specified plastic strain levels. The slope of the unloading curve is measured and a relation between the “unloading modulus” and the plastic stain is established.In the current study, results for four different materials are accounted for. The springback of a simple U-bend is calculated for all the materials in the rolling-, transverse- and diagonal directions. From the results of these simulations, some conclusions regarding constitutive modeling for springback simulations are drawn.