鎳鈦形狀記憶合金薄壁管滾珠旋壓成形研究.pdf

1、鎳鈦形狀記憶合金(下文簡稱鎳鈦合金)由于具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性、耐蝕性以及良好的生物醫(yī)學(xué)相容性等特殊性能而在連接件和醫(yī)療器械等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，并表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但是，鎳鈦形狀記憶合金管材難以加工制造，因此需要一種有效的成形方法對其進行加工。滾珠旋壓屬于連續(xù)局部塑性成形工藝，已經(jīng)被用于制造高質(zhì)量、高力學(xué)性能的薄壁管，但是，很少見其被用于鎳鈦合金管的制造。本課題嘗試采用滾珠旋壓工藝成形高質(zhì)量的鎳鈦合金薄壁管，通過分析鎳鈦合金高溫變

2、形的動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶機制，構(gòu)建鎳鈦合金的本構(gòu)方程，并采用剛粘塑性有限元法對鎳鈦合金薄壁管的滾珠旋壓成形進行模擬，為鎳鈦合金薄壁管的滾珠旋壓成形提供了重要的理論基礎(chǔ)。
　　 本文采用經(jīng)850℃、2小時固溶處理的鎳原子含量為50.9at.％的鎳鈦合金圓柱體試樣(直徑為4mm，高為6mm)進行不同變形溫度(600℃～1000℃)、不同應(yīng)變速率(0.001s-1～1s-1)、不同變形程度(10%～90%)條件下的熱壓縮實驗，獲得了應(yīng)

3、力應(yīng)變曲線。根據(jù)熱壓縮實驗的實驗數(shù)據(jù)，采用線性擬合的方法，獲得了本構(gòu)方程中的常量：激活能Q=2.30×105(J/mol)，α=4.7×10-3(MPa-1)，A=5.26889×1010，n=4.26211，從而構(gòu)建了能夠精確地描述鎳鈦合金在熱加工過程中變形行為的本構(gòu)方程，從而為鎳鈦合金薄壁管滾珠反向旋壓的模擬提供了材料模型。采用金相顯微鏡、X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等設(shè)備及能譜分析(EDS)等手段

4、進行了變形前后材料的顯微組織、斷口形貌、成分等觀察與分析。通過掃描分析可以知道固溶后的鎳鈦合金室溫下壓縮斷口形貌具備準(zhǔn)解理斷裂特征；通過能譜分析和透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在室溫條件下的基體相主要是立方結(jié)構(gòu)的奧氏體相(B2有序結(jié)構(gòu))，基體上存在面心立方結(jié)構(gòu)的TiC；通過差示掃描量熱儀測定了試樣的相變溫度：Ms=-21.7℃，Mf=-38.5℃，As=-12.5℃，Af=1℃。鎳鈦合金未壓縮前的組織為大小均勻的等軸晶，而壓縮后的組織則呈現(xiàn)動態(tài)回復(fù)或

5、動態(tài)再結(jié)晶特征。在600℃和650℃時，鎳鈦合金表現(xiàn)為典型的動態(tài)回復(fù)特征，晶粒沿壓縮方向被拉長；在700℃時，材料發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，形成細小的晶粒；800℃時，晶粒長大成等軸晶，當(dāng)溫度超過800℃后，晶粒發(fā)生了嚴(yán)重長大，以上表明隨著溫度的升高，鎳鈦合金容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。應(yīng)變速率和變形程度對鎳鈦合金動態(tài)再結(jié)晶影響明顯：隨著應(yīng)變速率的降低，動態(tài)再結(jié)晶形核及長大時間增加，從而使晶粒尺寸變大；當(dāng)變形程度超過臨界變形程度時，將獲得細小的等軸晶。

6、
　　 本研究建立了滾珠反向旋壓的有限元模型，通過采用DEFORM-3D有限元軟件模擬了不同進給比(0.2mm/r～0.8mm/r)、不同壁厚減薄量(0.1mm～0.3mm)以及不同旋壓初始溫度(700℃～800℃)等主要參數(shù)對旋壓件成形性的影響，獲得了不同條件下旋壓件塑性變形區(qū)的溫度場、應(yīng)力場和應(yīng)變場，預(yù)測了旋壓載荷，并得到了芯模和滾珠的溫度場分布。旋壓件的溫度場分布表明，塑性變形功導(dǎo)致了塑性變形區(qū)的溫度增加；旋壓件的應(yīng)力場分