纯钨及其合金在塑性成形过程中的变形行为与组织演变规律研究

发布时间：2018-05-23 11:43

本文选题：钨及其合金 + 热加工图　；参考：《山东大学》2016年博士论文

【摘要】：钨的熔点、沸点、密度在所有金属中最高,是一种难熔金属,并且其硬度、弹性模量和压缩模量也较高,但蒸气压极低,此外钨还具有优异的高温力学性能和抗高温蠕变性能、优异的导电、导热性和电子发射性能,因此被广泛应用于军工、航空、工业等多个领域。近年来,许多国家对钨的需求增长迅猛,但其全球储量却相对较少。目前钨合金被广泛应用于医疗、通信、航天等领域,作为电接触材料、电子封装材料和热沉材料。纯钨及其合金在热、电、力、光学等方面的优异性能,使其在诸多领域具有广阔的应用前景。提高纯钨及其合金的加工技术对促进国防和航空航天技术的进步、推动经济发展具有重要意义。钨是体心立方点阵的金属晶体,其特点是塑脆转变温度高,对断口敏感,易发生脆断。塑性成形过程中纯钨微观组织的变化和应力状态的不同会使其塑脆转变温度发生变化,进而影响其加工塑性。在成形过程中钨的微观组织会沿一定变形方向呈纤维流线状排列,使其塑脆转变温度有所降低,并且随着变形程度的增加,形成的纤维状微观组织越细小,钨的塑脆转变温度降低也越大,即钨的加工塑性会随变形量的增加而有所提升。成形过程中的拉应力容易引起纯钨内部脆性裂纹的产生和扩展,降低其加工塑性,而剪应力会使裂纹尖端发生塑性变形,使拉应力产生松弛进而防止裂纹产生和扩展,因此可以提高钨的加工塑性。在不同的塑性成形工艺过程中金属材料所受到的应力状态是不同的,如在轧制过程中材料受单向压应力和双向拉应力的作用,而在旋锻过程中受三向压应力作用,这使在轧制和旋锻过程中钨呈现不同的加工塑性。因此,分析纯钨及其合金在不同塑性加工条件下的流动特性和变形行为,研究各工艺参数对其微观组织变化和成形过程的影响,并对工艺参数进行优化,为生产实践提供指导是十分必要的。本文进行了纯钨的热模拟试验,得到了其塑性变形的流动应力-应变关系数据,并通过数据拟合得到了纯钨塑性变形的应力-应变关系本构方程参数,以此作为数值模拟的材料数据分析钨在轧制、旋锻等工艺条件下的塑性变形行为。研究了轧辊凸度等工艺参数对93W合金板材轧制头部开裂的影响,分析了93W合金板轧制过程中应力三轴度的变化和分布规律,探讨了轧制过程中板材头部产生开裂的原因及开裂点应力状态变化规律；研究了纯钨板材轧制、棒材轧制、旋锻和拉丝等塑性成形工艺中材料的变形行为,分析了在不同工艺参数条件下纯钨的塑性成形特性。分析了轧制压下量、轧辊转速、开坯温度和摩擦系数等对纯钨板材轧制过程中变形区应力应变分布规律和轧制力大小的影响,结合金相和SEM试验分析了轧制钨板的开裂现象。研究了纯钨棒材在轧制和旋锻过程中各工艺参数对变形区材料流动和应力应变分布的影响规律,分析了其塑性加工后的组织变化。进行了轧制钨棒的退火试验,研究了退火温度和保温时间对再结晶组织大小和分布的影响规律。研究了钨丝拉拔过程中模角对拉拔力、拉拔压力和变形行为的影响规律。本文主要工作如下：(1)在GLEEBLE3800热模拟试验机上进行了粉末烧结纯钨试样等温等应变速率的单向压缩试验,变形温度范围为1250℃-1550℃,应变速率范围为0.001s-1～1 s-1。研究了纯钨的高温热变形行为,基于不同本构关系模型,分别建立了该材料的流动应力与温度、应变速率及应变之间的本构关系模型。通过对比六种本构关系模型的预测值与试验结果的相关性及其平均相对误差,获得了可以准确描述纯钨高温流动应力、变形温度和应变速率关系的带应变补偿的Arrhenius模型、修正的Johnson-Cook (JC)模型、修正的Zerrili-Armstrong (ZA)模型和KHL模型,并在数值模拟过程中采用所获得的修正的JC模型作为材料本构方程。并利用热模拟试验得到的流动应力-应变关系数据建立了基于功率耗散率和失稳准则的纯钨的热加工图,结合其微观组织演化,分析了纯钨稳定塑性成形的温度和应变速率条件,为确定文中所研究的塑性加工工艺参数提供指导。(2)分别研究了纯钨和93W合金两种板材在轧制过程中的变形行为,分析了不同轧辊凸度下93W合金板材头部应力三轴度在轧制过程中的变化与分布规律,研究了压下量、开坯温度、轧辊转速和摩擦系数等参数对纯钨和合金钨板材轧后宽展、伸长以及轧制过程中应力应变分布规律的影响规律,分析了纯钨板材多道次轧制过程中材料的流动规律和轧制力的变化规律,结合金相与SEM试验,探讨了纯钨及其合金板材轧制开裂产生的原因。(3)建立了钨棒轧制的双向、三向Y型、三向圆孔型和四向轧制数值模拟模型。研究了随轧制压下量的增加轧后棒材宽展、伸长、轴截面等效应力和应变的变化规律,对比分析了几种棒材轧制方式对钨棒轧制力和轧制过程中应力应变分布的影响规律。建立了三向Y型钨棒多道次轧制模型,研究了轧制力和应力应变等随轧制道次的变化规律。进行了轧制钨棒的退火试验,研究了退火温度和保温时间对再结晶组织大小和分布的影响规律。(4)建立了不同直径的钨条旋锻过程的数值模拟模型,研究了不同直径的钨条在旋锻过程中的应力应变变化规律,分析了旋锻过程中纯钨的流动行为,研究了圆锥进料角和包角等模具参数对钨条旋锻过程的影响规律,分析了工艺参数对旋锻钨条裂纹产生的影响规律及作用。研究了旋锻钨条微观组织的变化规律,分析了粉末烧结过程中存留的孔洞在旋锻打击作用下的闭合和晶粒组织变化的原因。(5)建立了钨丝拉拔过程的数值模拟模型,研究了拉拔过程中变形区内的应力应变分布规律,研究了模角和摩擦系数对轴向拉拔力和径向压力的影响。
[Abstract]:Tungsten alloy is widely used in many fields such as military industry , aviation , industry and so on . The flow stress - strain relation data of the plastic deformation was obtained , and the constitutive equation parameters of the pure tungsten plastic deformation were obtained by the data fitting . The influence of the process parameters such as roll crown on the crack of the rolled head of 93W alloy plate was studied . The change and distribution law of the stress three axes during the rolling process of the 93W alloy plate were studied .
The deformation behavior of pure tungsten in the process of rolling , bar rolling , rotary forging and drawing is studied . The influence of the deformation behavior of pure tungsten under different technological parameters is analyzed . ( 3 ) A numerical simulation model of tungsten rod rolling is established . The influence of annealing temperature and temperature on the stress and strain distribution in rolling process is studied .
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.411

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