包辛格效应对钽合金微尺度多阶段塑性变形损伤机理影响规律的研究

Micro scaled bulk forming using tantalum alloy is the key application of microforming technology in the application of bone implant, and the deformation history of micro tantalum product at its previous forming stage with low strain rate will significantly affect the mechanical property and damage evolution during following forming stage. Aiming at the major problems existed in the research of multi-stages plastic deformation of tantalum alloy, a hybrid multi-stages fracture model based on micro scaled coupled fracture criteria and micro scaled dynamic model will be proposed in this project. This project combines the quantification of the Bauschinger effect during specimen preparation based on the raise of damage energy and disappearance of micro cracks in micro scaled bulking forming, committed to quantify the influence of deformation history of previous forming stage to damage of following forming stage base on the transformation of void-accumulation fracture and micro-shear-band-accumulation fracture, committed to establishing of a new coupled fracture criterion of micro scaled multi-stage plastic deformation by implementing the quantification of deformation dead zone, size effect and Bauschinger effect to stress triaxiality model of tantalum alloy. This research will provide the theoretical proof for micro scaled multi-stages plastic deformation and technical support for the mass production of tantalum product and optimization of production procedure using micro scaled progressive bulk forming.

钽合金微尺度体积成形是微成形技术在骨植入材料中的关键应用，而微尺度钽合金制品在坯料制备及前期成形阶段的变形历史会对其后续变形阶段的力学性能及损伤演化产生重要影响。针对微尺度钽合金多阶段塑性变形研究中存在的诸多关键问题，本课题将建立一种新的微尺度多阶段塑性变形耦合断裂准则与损伤模型，其主要特征在于：基于薄板制备微尺度体积成形坯料损伤能升高及微裂纹消失等现象，量化包辛格效应对坯料强化特性的影响；根据静水应力对微孔聚合型裂纹与微剪切带汇聚型裂纹这两类裂纹种类的转换，量化变形历史对后续变形阶段损伤的影响；量化流动死区及尺寸效应的影响，同时考虑包辛格效应，并基于应力三轴度模型建立复杂应变路径下微尺度多阶段塑性变形耦合断裂准则与损伤模型。本课题将为钽合金微尺度多阶段塑性变形的研究提供理论依据，为微级进模体积成形批量化生产及最优化工序设计奠定基础。

本项目建立了数套基于微尺度压缩耦合断裂准则与微观动力学模型相结合的多阶段混合断裂模型，该模型基于薄板制备微尺度体积成形坯料损伤能升高及微裂纹消失等现象，量化了薄板制备微体积成形坯料中的强化效应；根据多相合金脆性相受压断裂并汇聚为主剪切带的过程，建立以流动死区模型为核心的微尺度压缩耦合断裂准则；将尺寸效应引入了金属微观动力学模型以获取不同应变速率条件下钽合金塑性变形机理；实现了低应变速率塑性成形阶段应变历史对高应变速率使用阶段实际效果反馈。本项目较好的完成了原定的研究计划，主要包括：.（1）研究发现了钽合金微尺度级进模成形中出现的坯料强化现象，指出该种现象为包辛格效应在多阶段塑性变形中的体现，量化了薄板制备体积成形坯料中出现的强化效应并建立了与之相关的流动死区混合损伤模型。.（2）将尺寸效应首次引入钽合金微观动力学模型，使用预载后的钽合金坯料进行霍普金森压杆实验，首次得到了铜合金及钽合金的等温高应变速率应力应变曲线，并使用该曲线建立了微尺度动力学模型，使用该模型成功预测了霍普金斯压杆实验中圆柱形坯料出现裂纹的位置。.（3）研究了超精密飞刀切削过程中，工件表面出现波浪形纹路的原因及产生机理，建立了相关的混合损伤模型并计算出使得表面不出现波浪形纹路的飞刀临界转速，并以实际实验证明该结论的有效性。.（4）通过上述工程应用实例建立了低应变速率塑性成形阶段的应变历史与高应变速率试用阶段实际效果的反馈，并根据反馈选择最佳的加工方案。.（5）以上述成果为基础，创造性的提出了“多应变速率断裂图”，成功预测不同应变速率下超精密飞刀切削过程中断裂种类的变化及出现位置，为合理设计超精密飞刀切削中的切削速度、进给速度、切削深度从而兼顾生产效率与表面光洁度提供了必要的技术支持。.（6）建立的钽合金微尺度动力学模型为今后开展钽合金微结构模具内装配、钽合金精密超声成形、负泊松比结构钽合金连冲连装技术提供了有力的理论依据与技术基础。