国产欧美17694_模具通道夾角對純鈦演變的有限元分析

等徑彎曲通道變形(equal channel angular pressing，簡(jiǎn)稱(chēng)ECAP)是一種利用純剪切變形獲得塊狀超細晶材料的加工方法。ECAP的優(yōu)點(diǎn)是在擠壓變形過(guò)程中，材料截面尺寸不會(huì )改變，可進(jìn)行多道次擠壓，累積大量應變，而且可將晶粒尺寸細化至亞微米級甚至納米級，使材料具有優(yōu)異的物理性能和力學(xué)性能。在金屬材料發(fā)生ECAP變形時(shí)，其形變主要發(fā)生在取向有利的滑移系和孿生系上，因此研究金屬材料ECAP變形織構的演變規律是分析ECAP變形材料物理性能和力學(xué)性能的重要方法。
純鈦具有低密度、耐高溫、耐蝕性好等優(yōu)異的性能，具有廣闊的發(fā)展前景。然而純鈦是一種密排六方結構(hexagonal close packing，簡(jiǎn)稱(chēng)hcp)金屬，其塑性變形機制復雜，一階和二階錐面滑移系、柱面滑移系以及孿晶系在變形過(guò)程中都發(fā)揮作用，而且各滑移系、孿晶系的臨界剪切應力均不相同，同時(shí)擠壓道次、摩擦、模具通道夾角、溫度、擠壓速度等因素對滑移系以及孿晶系的開(kāi)動(dòng)都會(huì )產(chǎn)生影響。完全通過(guò)實(shí)驗對純鈦ECAP進(jìn)行研究，就需要大量的時(shí)間進(jìn)行許多重復性的實(shí)驗，耗費巨大，且變形過(guò)程中材料的變形規律也難以把握，而采用數值模擬可大幅度提高其研究效率。在數值模擬中，應用較多的是Taylor模型和VPSC模型，Jung等基于Taylor模型對純鋁在ECAP變形下的織構均勻性進(jìn)行了模擬，Starosel-sky和Anand基于VPSC模型模擬了鎂合金AZ31B熱軋變形下的織構演變。但這些模型不能計算晶粒內滑移系的開(kāi)動(dòng)以及晶粒間的相互作用。而晶體塑性有限元分析模型是將晶體塑性變形本構方程與有限元理論相結合，不僅考慮了各晶粒自身的宏觀(guān)邊界條件和不同晶粒間的相互作用，而且在構造模型過(guò)程中引入晶粒尺寸、晶粒取向以及滑移系等信息，近年來(lái)發(fā)展勢頭迅猛。國內外學(xué)者在對材料ECAP變形下的織構演變進(jìn)行模擬時(shí)，多采用通道夾角為90°的模具，鮮有考慮模具通道夾角對織構的影響。因此本文采用晶體塑性有限元模型對純鈦單道次室溫ECAP變形織構演變進(jìn)行模擬，通過(guò)對比模具通道夾角為90°時(shí)的實(shí)驗結果與模擬結果，在驗證模型可靠的條件下，研究不同模具通道夾角(90°，120°，135°)對純鈦單道次室溫ECAP變形織構演變規律的影響。由于純鈦室溫ECAP變形過(guò)程復雜，研究時(shí)假設純鈦變形以滑移為主，且不考慮摩擦的影響。
在晶體塑性有限元模型中，單晶體彈塑性變形時(shí)的變形梯度基于極分解定理分解為彈性變形和塑性變形兩部分，而且彈性部分分解為對稱(chēng)的左彈性拉伸張量和正交旋轉張量。
本文利用有限元分析軟件ABAQUS建立ECAP模型，軟件提供的用戶(hù)自定義材料參數的UMAT實(shí)現有限元模型建立的本構方程，進(jìn)而模擬多晶純鈦試樣在90°，120°，135°通道夾角時(shí)的單道次ECAP變形。有限元數值模型的可靠性通過(guò)對比純鈦在通道夾角為90°時(shí)室溫ECAP模擬得到的織構數據與實(shí)驗后得到的織構數據進(jìn)行驗證。圖2為ECAP變形過(guò)程示意圖，ED為擠出方向，ND為法線(xiàn)方向，TD為橫向。擠壓試樣采用可變形實(shí)體，模具采用離散剛性體，試樣兩側采用邊界條件進(jìn)行控制，通道夾角分別為90°，120°，135°，模型的具體參數如表所示，擠壓速度ν=1mm·s^-1。單晶純鈦的材料參數如表所示，參數通過(guò)子程序UMAT調用完成，并定義每個(gè)單元由500個(gè)隨機取向的晶粒組成。

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