超聲波輔助大塑性變形細(xì)化材料晶粒研究.pdf

1、超聲波是頻率大于20kHz的一種高頻機(jī)械振動(dòng)波。作為一種高強(qiáng)度能量，超聲波已經(jīng)越來(lái)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(xì)化材料晶粒，制備塊體納米晶材料；2)超聲波噴丸處理對(duì)試件進(jìn)行表面強(qiáng)化。
　　 在現(xiàn)有的研究中，超聲波直接施加在模具上，通過(guò)模具的振動(dòng)改變傳統(tǒng)塑性變形中的摩擦行為及金屬流動(dòng)行為。另有研究表明，超聲波在固體材料中傳播時(shí)能夠增加材料位錯(cuò)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(shí)對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗變形。在超聲波產(chǎn)生的交變應(yīng)力場(chǎng)與彈塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用下，使坯料發(fā)生劇烈塑性變形，細(xì)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(diǎn)：
　　 (1)對(duì)于超聲波在圓棒中的傳播進(jìn)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(dòng)方程。對(duì)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(dòng)方程進(jìn)行了求解，獲得了超聲波在圓棒中傳播時(shí)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(guò)對(duì)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(diǎn)振動(dòng)的振幅和應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，以及圓柱底部端面車成圓錐面后對(duì)超聲波傳播的影響。同時(shí)，研究了桿的外形尺寸及桿內(nèi)孔尺寸對(duì)桿的自振頻率的影響。
　　 (2)對(duì)純銅尖錐進(jìn)行了超聲波鐓粗變形和傳統(tǒng)鐓粗變形實(shí)驗(yàn)。建立了2D超聲波鐓粗變形有限元模型，對(duì)比研究了超聲波鐓粗變形和傳統(tǒng)鐓粗變形過(guò)程中金屬流

4、動(dòng)、壓力行程曲線及變形過(guò)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(guò)程中的金屬流動(dòng)和變形機(jī)制。
　　 (3)對(duì)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(jìn)行測(cè)試，分析了在大塑性變形過(guò)程中晶粒細(xì)化機(jī)制。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)一次超聲波鐓粗變形后，純銅晶粒從初始的50μm細(xì)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(xì)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(xì)化效率。另外，在TEM測(cè)試基礎(chǔ)上，分析了在晶界演變過(guò)程中晶界對(duì)材料硬度的影響。在綜合考慮晶粒大小和晶界厚度兩個(gè)因素情況下，獲得了材料硬度的表達(dá)式。
　　 (4)采用6061鋁合金尖錐進(jìn)行了超聲波鐓粗變形實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了合金中的第二相粒子Mg2Si在劇烈塑性變形過(guò)程中的演變過(guò)程。本研究表明第二相粒子的硬度及尺寸是影響晶粒細(xì)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(cuò)，促進(jìn)位錯(cuò)的產(chǎn)生，減小位錯(cuò)滑移距離，從而加快晶粒細(xì)化。如果粒子的硬度較小(如Mg2Si)，則在塑性變形過(guò)程中，位錯(cuò)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(shí)，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(duì)1018低碳鋼進(jìn)行了表面強(qiáng)化。研究了噴丸距離、噴丸時(shí)間、鋼球直徑和鋼球數(shù)量對(duì)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(shí)間的增加，噴丸距離的減小