金属板材高能率成形的动力学行为研究

航空航天工业发展，汽车制造业轻量化发展的趋势迫切需求高强度轻质合金材料制造的零件，但传统成形技术遇到了高强度轻质合金难成形的瓶颈。而高能率成形是解决高强度轻合金加工难题的有效方法。本课题从电磁脉冲形成的高能率成形过程金属板材的动态响应角度展开研究，研究金属材料在高速成形中的变形机理，板材在高能率成形中的失稳方式，建立层裂损伤模型，确定材料本构参数及损伤模型阈值，建立高能率成形下材料的本构方程，为成形数值仿真提供可靠的材料模型。研究金属板材高能率成形的成形性能，建立金属板材成形极限图，分析边界条件对金属板材成形性能的影响规律，探讨高能率成形的最佳成形速度，建立最佳成形速度的经验公式，为高能率成形设备的设计及成形工艺参数的选取提供理论依据。研究金属板材高能率成形过程中组织演化规律，建立高能率成形"工艺→组织→性能"的关系，为金属板材"控形"与"控性"一体化的高能率成形提供理论基础。

钛合金由于具有比强度高，韧性高，良好的减重效益和优异的耐腐蚀性能，使其集中应用于航空航天领域和生物医学领域。TC4钛合金在室温和准静态应变速率条件下成形性能差，易出现断裂等成形失败现象。高速成形是解决难变形材料的成形问题的途径之一。本项目开展了基于电磁脉冲成形工艺，针对TC4钛合金板材，高速变形规律、工艺适应性、成形极限、变形机理及动态变形效应等方面的研究。.首先用有限元模拟技术，分析在驱动片作用下，TC4钛合金成形的可行性。分析中采用有限元软件ANSYS和ABAQUS相结合，根据电磁脉冲成形的特点，实现电磁场、结构场的有限元耦合算法。由于数值模拟中考虑了板材的变形过程对电磁场的影响，并通过用户子程序使结构场的变形数据与电磁场的电磁力数据能在ABAQUS与ANSYS软件之间交互传送，使模拟数据与实验数据相比有较好的一致性。.为了绘制TC4钛合金板材在高应变速率下的成形极限图，用正方形、十字形和腰形的试样结构，分别获得双向拉伸、单向拉伸和平面应变三种应变状态，测得TC4钛合金板材在高速率成形条件下，处于平面应变状态时，其成形性能比准静态条件下提高了73.65%，处于双向拉伸应变状态时，成形性能提高了24.37%。.通过对高速率变形后TC4钛合金板材的微观组织变化的观察，揭示其变形机理及损伤状态，分析高速率成形过程对TC4钛合金板材塑性变形的影响以及对成形后工件服役性能的影响。研究发现在动态加载下，TC4钛合金板材的晶粒被拉长但尺寸变化不明显。在驱动片的冲击作用下工件硬度分布不均，但织构没有明显变化。变形过程，除了位错滑移机制外，孪生机制也被激活，有利于塑性变形，但数量较少。断口形貌分析表明材料的断裂模式为韧性断裂与剪切断裂相结合的复合型断裂；而准静态下为典型的韧性断裂。.为确定TC4钛合金板材的应变率敏感速度域，采用了一种胀环式的试样环，测试材料在在不同应变速率下的成形性能。对于钛合金试验用了一个铝合金试样环作为驱动环。研究表明，当变形速度在2mm/min时，TC4钛合金的应变率为6.67×10-4/s，均匀应变达到0.102，但当变形速度超过准静态速度达到46.7m/s时，其均匀应变只达到0.032。直到变形速度超过286m/s后，应变率超过6935.6/s。因此，认为当变形速度达到V=286m/s或应变率达到6935.6/s，为TC4钛合金材料塑性提高的阈值。