超聲波輔助大塑性變形細化材料晶粒研究.pdf

1、超聲波是頻率大于20kHz的一種高頻機械振動波。作為一種高強度能量，超聲波已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用到塑性成形領(lǐng)域。本研究主要分為兩部分：1)超聲波鐓粗變形細化材料晶粒，制備塊體納米晶材料；2)超聲波噴丸處理對試件進行表面強化。
　　 在現(xiàn)有的研究中，超聲波直接施加在模具上，通過模具的振動改變傳統(tǒng)塑性變形中的摩擦行為及金屬流動行為。另有研究表明，超聲波在固體材料中傳播時能夠增加材料位錯密度、降低材料的內(nèi)摩擦力并產(chǎn)生熱。本研究將超聲波直

2、接輸入到坯料中，同時對坯料進行鐓粗變形。在超聲波產(chǎn)生的交變應(yīng)力場與彈塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)力場的耦合作用下，使坯料發(fā)生劇烈塑性變形，細化材料晶粒，制備塊體納米晶。此部分的研究主要包括以下幾點：
　　 (1)對于超聲波在圓棒中的傳播進行了數(shù)學(xué)分析，獲得了超聲波在圓棒中傳播的粒子位移和應(yīng)力波動方程。對于特定邊界條件下(圓棒一端固定，一端為應(yīng)力自由端)的應(yīng)力波動方程進行了求解，獲得了超聲波在圓棒中傳播時所引起的應(yīng)力分布。建立了超聲波在圓棒中

3、傳播的3D有限元模型，通過對比有限元模擬結(jié)果與數(shù)學(xué)分析結(jié)果，確定了超聲波在有限元模擬中的加載邊界條件。在此有限元模型的基礎(chǔ)上分析了圓棒底面質(zhì)點振動的振幅和應(yīng)力隨時間的變化情況，以及圓柱底部端面車成圓錐面后對超聲波傳播的影響。同時，研究了桿的外形尺寸及桿內(nèi)孔尺寸對桿的自振頻率的影響。
　　 (2)對純銅尖錐進行了超聲波鐓粗變形和傳統(tǒng)鐓粗變形實驗。建立了2D超聲波鐓粗變形有限元模型，對比研究了超聲波鐓粗變形和傳統(tǒng)鐓粗變形過程中金屬流

4、動、壓力行程曲線及變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布。系統(tǒng)分析了超聲波鐓粗變形和傳統(tǒng)鐓粗變形過程中的金屬流動和變形機制。
　　 (3)對超聲波鐓粗變形后純銅尖錐劇烈變形部分采用金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)進行測試，分析了在大塑性變形過程中晶粒細化機制。結(jié)果表明：經(jīng)過一次超聲波鐓粗變形后，純銅晶粒從初始的50μm細化到150～300nm；在相同的壓下量下，傳統(tǒng)鐓粗變形后材料晶粒從初始晶粒尺寸～50μm僅細化到2

5、0～30μm。這表明超聲波能使塑性變形更加劇烈，提高晶粒細化效率。另外，在TEM測試基礎(chǔ)上，分析了在晶界演變過程中晶界對材料硬度的影響。在綜合考慮晶粒大小和晶界厚度兩個因素情況下，獲得了材料硬度的表達式。
　　 (4)采用6061鋁合金尖錐進行了超聲波鐓粗變形實驗，重點研究了合金中的第二相粒子Mg2Si在劇烈塑性變形過程中的演變過程。本研究表明第二相粒子的硬度及尺寸是影響晶粒細化的重要因素。如果粒子的硬度較高(如Al2O3)，則

6、粒子能有效的定扎位錯，促進位錯的產(chǎn)生，減小位錯滑移距離，從而加快晶粒細化。如果粒子的硬度較小(如Mg2Si)，則在塑性變形過程中，位錯將此粒子切割，使粒子破碎。當(dāng)粒子尺寸減小到某一臨界值時，粒子能夠起到釘扎晶界的作用。
　　 論文第二部分研究采用超聲波噴丸工藝對1018低碳鋼進行了表面強化。研究了噴丸距離、噴丸時間、鋼球直徑和鋼球數(shù)量對于噴丸后試件獲得的大變形層深度及表面粗糙度的影響。研究表明：隨著噴丸時間的增加，噴丸距離的減小