奧氏體不銹鋼電輔助壓印成形工藝建模與實驗研究.pdf

1、微通道反應(yīng)器、微通道換熱器等微細結(jié)構(gòu)可以顯著提高產(chǎn)品性能和減小結(jié)構(gòu)尺寸，在能源、化工、半導(dǎo)體照明等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。微細結(jié)構(gòu)的高效高精度加工是制約這類產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用的主要難點之一。電輔助成形能有效地降低金屬材料塑性變形抗力，是實現(xiàn)微細結(jié)構(gòu)高效加工的新型成形技術(shù)。但在電輔助成形工藝過程中，由于高密度電流不僅通過工件溫升效應(yīng)間接地降低材料的屈服應(yīng)力，而且還借助于電致塑性效應(yīng)直接降低材料的屈服應(yīng)力，特別是奧氏體不銹鋼這類伴隨應(yīng)變誘導(dǎo)固態(tài)

2、相變現(xiàn)象的材料，電流影響的機理更加復(fù)雜?，F(xiàn)有的成形工藝分析模型，主要考慮電熱溫升效應(yīng)對材料屈服應(yīng)力的影響，不能考慮高密度電流直接激發(fā)位錯滑移而引起的電致塑性效應(yīng)影響，導(dǎo)致電輔助成形過程材料流變預(yù)測精度低，工藝設(shè)計困難。
　　本文圍繞奧氏體不銹鋼316L微細壓印成形工藝過程，開展了電輔助壓印成形工藝的數(shù)值建模和實驗研究。首先通過材料拉伸實驗研究高密度電流對材料流變應(yīng)力的影響規(guī)律，并構(gòu)建結(jié)合考慮材料溫升效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)

3、關(guān)系；建立電輔助微細壓印成形過程的仿真分析模型，定量地分析成形工藝參數(shù)對微細成形特征尺寸的影響規(guī)律；建立微細結(jié)構(gòu)電輔助壓印工藝實驗臺，通過微細特征的壓印成形實驗驗證仿真模型的有效性和成形工藝可行性。論文工作包括以下幾個方面：
　　1)高密度電流對奧氏體不銹鋼屈服應(yīng)力的影響規(guī)律
　　針對電輔助成形過程，電熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)并存的現(xiàn)象，集成高密度電流發(fā)生器與材料拉伸性能實驗測試儀，設(shè)計了金屬材料電輔助拉伸性能測試系統(tǒng)，提出溫升

4、效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)解耦的金屬材料屈服應(yīng)力及微觀組織的測試方法，揭示了奧氏體不銹鋼電輔助拉伸過程屈服應(yīng)力的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明，高密度電流不僅通過電熱溫升效應(yīng)促進位錯的滑移，減小材料的剪切模量，提高馬氏體相變所需機械驅(qū)動力，延后馬氏體相變的發(fā)生，從而降低奧氏體不銹鋼屈服應(yīng)力，而且還通過電致塑性效應(yīng)更進一步地直接促進位錯的滑移，降低奧氏體不銹鋼屈服應(yīng)力，并進一步抑制應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變的發(fā)生。
　　2)高密度電流作用下奧氏體不銹鋼成形

5、的本構(gòu)關(guān)系
　　綜合位錯滑移、固溶強化和應(yīng)變誘導(dǎo)相變理論，建立了基于各向同性強化的奧氏體不銹鋼電輔助成形過程的屈服應(yīng)力模型，通過實驗數(shù)據(jù)擬合出反映高密度電流和材料溫升促進位錯滑移，增強位錯存儲和恢復(fù)，延遲和抑制應(yīng)變誘導(dǎo)馬氏體相變等現(xiàn)象的模型參數(shù)，定量地描述電熱溫升效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響，為電輔助成形工藝分析提供基礎(chǔ)。
　　3)考慮電熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)的微細壓印電輔助成形過程仿真模型
　　針對電輔助成形

6、中電熱效應(yīng)和電致塑性效應(yīng)相互耦合的特點，建立了基于Abaqus的電輔助壓印成形過程的“電-熱-結(jié)構(gòu)”多場耦合模型。該模型利用所開發(fā)的Fortran子程序提取工件內(nèi)部電流密度分布信息，通過定義場變量的方法將電流密度信息引入材料屈服應(yīng)力的更新求解過程，從而實現(xiàn)電輔助成形工藝過程的仿真。借助該仿真模型，分析了微細槽型結(jié)構(gòu)壓印成形過程的材料塑性變形規(guī)律，高密度電流和工件材料溫升均減少了有效應(yīng)力和相變硬化率，增大了工件內(nèi)部各處的塑性變形程度，減少

7、了馬氏體生成。研究表明：在受壓力較小的區(qū)域，電流影響以減小屈服應(yīng)力為主；在受壓力較大而且塑性變形量較大的區(qū)域，電流在增大塑性變形量的同時也減小屈服應(yīng)力；在受壓力較大但塑性變形量較小的區(qū)域，電流影響則以增大塑性變形量為主。
　　4)電輔助微細壓印成形工藝實驗研究
　　針對電輔助成形工藝在工件塑性變形過程中輔以高密度電流刺激的特點，在傳統(tǒng)的壓機和模具組成的成形工藝系統(tǒng)中集成高密度電流發(fā)生器，并開展了相應(yīng)的實驗研究。通過多種工藝參

8、數(shù)下流道成形深度和微觀結(jié)構(gòu)變化的工藝實驗結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果的對比，驗證前述工藝仿真模型的有效性與準(zhǔn)確性，說明了電致塑性效應(yīng)等高密度電流對屈服應(yīng)力的直接影響在電輔助成形工藝過程數(shù)值分析中的必要性。
　　通過上述研究，建立了不銹鋼材料電輔助成形材料本構(gòu)模型，實現(xiàn)了電流與溫度的瞬時作用和累積作用的定量分析；提出了電輔助成形工藝“電-熱-結(jié)構(gòu)”多場耦合仿真分析方法，研究了電流參數(shù)對成形質(zhì)量的影響規(guī)律，開展了壓印成形實驗，驗證了電輔助壓印成