高溫ECAE處理鎳鈦合金的熱塑耦合有限元模擬及優(yōu)化研究.pdf

1、NiTi 合金具有優(yōu)良的形狀記憶效應和偽彈性，在航空航天，機電，化工，生物醫(yī)學等領域得到了廣泛的應用。但是，NiTi 合金的強度高，低溫塑性差，通過常規(guī)工藝難以使其獲得優(yōu)異的綜合性能。近年來，利用等徑轉角擠壓（簡稱ECAE）對鎳基合金在高溫下進行加工處理取得了一定成效。但是，合金經(jīng)ECAE 處理過程中，其變形規(guī)律復雜，并難于觀測變形過程，擠壓工藝上尚未有明顯改進，極大地限制了該工藝方法獲得工業(yè)化應用。 本論文在NiTi 合金高溫

2、ECAE的實驗基礎上，利用有限元法對整個ECAE 加工工藝從前期試樣預熱，到擠壓的整個過程進行了完全的有限元分析，取得了一系列原創(chuàng)性的研究成果。 第一，利用有限元法模擬了NiTi 合金棒料在前期加熱過程，并進行了簡單的理論計算。模擬結果表明：10mmX10mm 試樣加熱時間為28分鐘能夠滿足后續(xù)擠壓試驗的溫度要求；在加熱爐溫為770℃的前提下，試樣心部溫度前期上升很快，而在1200s 后上升現(xiàn)象則不明顯；試樣在加熱爐中加熱時間超

3、過800s 后其內部溫度分布即趨于均勻，為后續(xù)有限元模擬假設初始均勻溫度場提供了依據(jù)。有限元模擬得到的加熱時間與理論計算結果一致。 第二，試樣在進行擠壓前停留在模具上的時間（停駐時間）對ECAE有重要影響。在試樣預熱溫度為750℃，模具溫度為500℃進行ECAE時，一般總用時間不宜超過6s；同時，停駐時間在2s 以內不會對ECAE結果產(chǎn)生明顯影響。 第三，基于大變形熱塑性耦合有限元法建立了NiTi 試樣ECAE 試驗的三

4、維有限元模型，模擬了在外接圓弧角Ψ和模具內角Φ均為90°時不同摩擦系數(shù)下的ECAE 過程。結果表明，不論在有無摩擦情況下，沿著三個方向的截面上的等效應變分布都不均勻；隨著摩擦系數(shù)的增大，試樣內部的等效應變不均勻程度有所減小，而擠壓所需的最大擠壓力急劇增大。 第四，擠壓變形熱對擠壓結果產(chǎn)生了重要影響。熱塑性耦合有限元分析結果表明：試樣在擠壓過程中因塑性變形熱造成的高溫區(qū)，與實驗觀測到的試樣表面發(fā)生氧化的位置一致，證實了有限元分析的

5、有效性。因此，在進行高溫非等溫ECAE時需要考慮熱的影響。 第五，首次建立了新的近等徑轉角擠壓模型(簡稱NECAE)，并用于NiTi的有限元擠壓模擬。結果表明：相比于同等條件下的ECAE 方法，NECAE 處理后的試樣主要變形段等效應變分布更均勻，同時擠壓力曲線振幅較小，表明該方法可以起到減小模具受沖擊的效果。 本文通過計算機數(shù)值模擬分析方法，對NiTi 合金擠壓的預熱過程和停駐時間進行了有限元分析；建立了熱塑耦合的EC