高速冷打多场强耦合作用下材料激变行为及其成形机理研究

高速冷打成形是一种柔性强的绿色近净制造新方法。成形过程中成形工具对坯料的高速撞击和断续往复运动的加载，使材料处于热、力、能量、速度等多场强耦合作用，从而发生材料激变行为，这是导致高速冷打成形机理较为复杂的核心问题，也是高速冷打成形区别于传统塑性成形的根源。本项目拟构建高速冷打模拟实验平台，利用红外传感探头测量制件表面温度变化、运用激光非接触式测量方法和新型高速摄像技术获取渐进变形过程、利用扫描电镜和透射电镜观察成形层微观形貌，并结合有限元数值模拟，系统研究高速冷打成形过程中多场耦合强作用的形成机制、多场耦合强作用下材料激变行为发生的物理力学本质、金属流动规律和金属微观组织演化机制，给出材料激变行为的数学模型，探索高速冷打的成形机理，揭示成形过程的科学实质，为发展高速冷打成形技术提供系统完整的理论依据。

高速冷滚打成形是一个多因素耦合作用下的复杂成形过程，成形过程中成形工具对工件的高速撞击和断续往复运动的加载，使材料处于热、力、速度等多场强耦合作用，从而发生材料激变行为，热效应引起的工件内部不均匀的温度场影响工件金属的流动性，进而对成形零件精度产生影响。为解决这些问题的科学实质，寻求这种先进制造方法所遵循的共性和普遍规律，已成为亟待解决的科学研究问题。.本项目采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，研究了高速冷滚打成形的运动学关系，揭示了高速冷滚打成形的理论机理；分析了高速冷滚打成形中滚打轮与工件的相互作用关系，研究了高速冷滚打过程中热、力的耦合关系，建立了40Cr材料在高速冷滚打状态下（大变形、高应变率、热力耦合）的本构模型；研究了高速冷打模拟实验机理，在高速冷打模拟实验平台上进行了高速冷打块状金属的热力耦合实验，探讨了高速冷滚打成形过程中热力耦合的形成机制；研究了工件材料在热、力耦合强作用下高应力、高应变、高应变率、高的变形速率和变形发生激变的条件，建立了热、力耦合强作用下各场量分布的数学、力学模型，给出了高速冷打工艺参数变化对多场耦合强作用形成机制；进行了高速冷打逐线渐变成形过程的数值分析，分析了不同工艺参数情况下高速冷滚打的成形过程和工艺参数对成形的影响；建立了高速冷滚打过程中工件材料金属流动的宏观和微观关系，探索了高速冷滚打过程中工件材料应力、应变及金属流动等宏观行为和晶格畸变、位错等微观行为的变化规律；进行了相关实验和数值模拟，分析了应力场、位移场和金属流动趋势和规律，研究在高速动态冲击载荷作用下金属层在成形工具击打的瞬间以及后续重复击打使之成形的全过程金属变形和流动规律，揭示高速冷打成形的机理。研究成果解决了提高工件高速冷滚打成形精度的科学问题，为发展高速冷滚打成形方法提供了一定的理论和应用基础，有重要的理论意义和工程应用价值。