钛合金加工过程中晶粒细化与织构研究

发布时间：2020-03-21 12:56

【摘要】：钛合金作为一种两相合金(α相与β相),因其具有优良的力学性能、抗腐蚀性、较高的比强度等特点,在工业中被广泛应用,尤其是在航空航天领域。但正是由于这些优点,使得钛合金成为一种典型的难加工材料,主要表现为加工过程中严重的塑性变形,使得已加工表面存在加工硬化现象,进而影响工件的表面质量,服役寿命等。本文从晶粒尺寸以及晶粒取向两个方面研究钛合金加工过程中塑性变形问题。本文首先进行了钛合金正交铣削实验,测量了切削力并收集了不同切削参数下的切屑。然后利用Johnson-Cook本构关系、剪切失效模型和ABAQUS/Explicit软件建立了二维正交铣削模型,并利用实验过程中获取的切削力和切屑几何形态对该有限元模型的可靠性进行验证,结果表明实验和仿真的切削力与切屑几何误差均小于12%,进而结合实验和有限元仿真结果对不同参数下的切削力以及塑性变形与应变率进行了分析,结果表明:(1)随着速度的增大,切削力减小,塑性变形减小;随着进给量增大,切削力增大,塑性变形增大。(2)切削过程中主要发生剪切应变,且应变率变化可分为三个阶段:初始阶段、应变率增大阶段、应变率减小阶段。利用ABAQUS/Explicit软件提供的用户子程序接口 USER SUBROUTINE,将Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov(JMAK)晶粒尺寸模型编写成用户子程序,嵌入到已建立的有限元模型中,实现了对钛合金加工过程中晶粒尺寸的仿真。结果表明:(1)随着切削速度的增大,切削力减小,塑性变形减小,晶粒细化程度随之减小;随着进给量增大变化规律相反。(2)切削过程中,温度对钛合金晶粒细化有弱化作用,在切屑剪切带处温度的弱化作用较明显,而已加工表层的弱化作用较小。在已获取的不同参数下加工过程中的应变和应变率的基础上,利用VPSC程序对已加工表面进行了织构模拟,并利用MATLAB作出织构极图和ODF图。结果分析表明,钛合金已加工表面存在B、P、Y、C1和C2剪切柱面织构,且极密度随着切削速度的增大而减小,随着进给量的增大而增大。然后利用钛合金密排六方体结构不同面上的微观各向异性会导致材料宏观硬度差异的特点,对织构的存在进行验证。距离加工表面相同深度上垂直切削速度和平行切削速度的截面上的显微硬度存在差异。因此表明,钛合金加工过程中存在织构现象。最后对距离加工表面不同深度上的织构密度进行了模拟,并对不同深度上的显微硬度进行了测量分析,结合晶粒细化的分析结果,可知微观层次的晶粒细化和晶粒取向均是产生宏观加工硬化的原因。
【图文】：

微观尺度,细观尺度,晶粒取向,晶粒细化

表面层冶全质￡逡逑表而纹理、逡逑基体材《逡逑图ｉ－ｉ表面完整性示意图逡逑对于金属塑性变形的研究主要包含以下三个尺度：宏观、细观和微观。示。宏观尺度是指从宏观的力学实验出发，获得材料的塑性本构关系的应力一应变响应曲线。没有涉及到材料塑性变形的本质机理。细观尺看做晶粒的集合体，从晶粒的尺度研究材料的各项异性。微观尺度主要动角度解释材料的塑性变形机制。逡逑

切屑,锯齿状,锯齿形,和数

Ｃｅｒｅｔｔ丨ａｌ５Ｇ］利用有限元方法研究了切肩的裂纹扩展现象。ＰｏｕｌａｃｈｏｎｌＭ逡逑利用淬硬钢１００Ｃｒ６做了快速落刀实验研宄了切削淬硬钢时切肩形成机理，用四逡逑个阶段描述锯齿形切屑的形成过程。如图１－４所示。逡逑阶段］逦ｐｉ－ａ邋：逦阶段５逦阶ｂｈ逦／逡逑ｒ＞ｉ逦［￣｜邋／Ｉ邋ｐｎ．逡逑＼￣广＿逦／Ｉ逦ＡＪ邋／逡逑图１－４锯齿形切肩形成阶段逡逑锯齿状切屑的研究主要有实验和数值仿真两种方法。实验方面，Ｋｏｍａｎｄｕｎ逡逑［５２】等人对ＡＩＳ１邋４３４０进行了高速切削实验，结果表明随着切削速度增大，，切屑锯逡逑齿化程度增大，巨剪切带会产生断裂现象。Ｓｕｌ５３］等人对１８ＣｒＮｉＷＡ进行了高速逡逑切削实验，结果表明随着切削速度增大，切削过程中振动频率增大，振幅减小，逡逑切屑锯齿化程度增大，工件己加工表面质量提高。徐永波１５４１等人研究／低碳钢、逡逑ＳＳ３０４不锈钢、ＴＣ４等材料的微结构演化与剪切断裂，对剪切带内相变、再结晶逡逑以及位错胞的形成进行了观测分析，结果表明剪切带内尤其是“白色”腐蚀带，逡逑并非一定发生了相变。Ｓｃｈｕｌ＃５】等人研究了不同热处理条件下的铝合金加工过程逡逑中锯齿状切屑的产生
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG54

【参考文献】