純鋁粉末燒結(jié)體錐形件高壓扭轉(zhuǎn)有限元模擬及實(shí)驗(yàn)

李 琦 李 萍 薛克敏 王曉溪 賈建磊

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

0 引言

藥型罩是聚能裝藥破甲彈、侵徹彈等武器和石油射孔彈等民品中的關(guān)鍵部件,早期的藥型罩由銅棒或鐵棒直接車削加工出,后改由銅板或鐵板沖壓或輾壓而成,生產(chǎn)效率較低,且射孔后杵堵現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。近年來,粉末藥型罩因其具有工藝簡單、成分配比靈活、生產(chǎn)效率高、成形性好等特點(diǎn),并在很大程度上避免了杵堵等現(xiàn)象,成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[2]。粉末藥型罩從本質(zhì)上來說屬于多孔材料,其密度、硬度較低,因而降低了爆炸戰(zhàn)斗部的侵徹和破甲性能。高壓扭轉(zhuǎn)法(high-pressure torsion,HPT)作為大塑性變形方法的一種,可以有效地細(xì)化晶粒,制備出亞微米甚至納米級(jí)超細(xì)晶,同時(shí)可提高材料的硬度[3-10],高壓扭轉(zhuǎn)過程中高的靜水壓力可以有效地提高粉末材料的致密度。

本文對純鋁粉末錐形件的高壓扭轉(zhuǎn)成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),并對模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 有限元模型及模擬結(jié)果分析

1.1 可壓縮性材料的屈服準(zhǔn)則

致密體材料的屈服準(zhǔn)則對成形過程作了體積不變的假設(shè),而粉末體材料中由于大量孔隙的存在,成形時(shí)粉末材料的體積有變化,不再滿足體積不變的假設(shè)。因此,致密體材料的屈服準(zhǔn)則已不適用于粉末體材料,粉末體材料的屈服準(zhǔn)則應(yīng)考慮靜水壓力和體積變化率的影響[11]。對于密度相對較高的燒結(jié)體材料,常采用Doraivelu等[12]提出的塑性理論,其屈服準(zhǔn)則表示如下：

式中,I1為應(yīng)力張量的第一不變量;J′2為應(yīng)力偏張量的第二不變量;A、B、δ均為屈服條件參數(shù);γR、γ0分別為多孔材料和基體材料單向拉伸或壓縮時(shí)的屈服應(yīng)力。

當(dāng)材料相對密度R＞0.7時(shí),根據(jù)Doraivelu等[12]提出的理論,此時(shí)屈服參數(shù)可按下列各式確定：

1.2 有限元模型

利用DEFORM-3D有限元程序,采用三維可壓縮性剛塑性有限元法對純鋁(Al1100)燒結(jié)體的HPT過程進(jìn)行分析。試樣的初始相對密度取為0.8。采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行離散,共得到31 779個(gè)單元。在計(jì)算中,模具被設(shè)置為剛體,上模保壓壓力為200k N,下模旋轉(zhuǎn) 2圈,旋轉(zhuǎn)速度為1r/min,忽略成形過程中的溫度效應(yīng)。端面接觸采用常剪切摩擦模型,摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3,有限元分析模型如圖 1所示(圖1中,P1、P2、…、P6為跟蹤點(diǎn))?？紤]到在上模不施加壓力或壓力較小的情況下,下模的旋轉(zhuǎn)無法有效地對試樣施加塑性變形,因此模擬及實(shí)驗(yàn)過程采用先上模下行、保壓,后下模旋轉(zhuǎn)的加載方式。

1.3 模擬結(jié)果分析

圖1 有限元分析模型

通過有限元模擬,得到粉末燒結(jié)體錐形件成形過程中的場量分布。因?yàn)镠PT所獲得材料的晶粒尺寸與變形密切相關(guān),而致密度是粉體材料重要的性能指標(biāo),因此了解試樣在擠壓過程中變形量與致密度的大小及分布狀況是十分重要的。從模擬結(jié)果看,高壓扭轉(zhuǎn)后試樣內(nèi)部等效應(yīng)變的分布是不均勻的,試樣頂部的變形量小,試樣邊緣處的變形量大,試樣內(nèi)側(cè)的變形量要大于外側(cè)的變形量,這說明上模和試樣之間的摩擦力主要使試樣產(chǎn)生變形,隨著變形過程的繼續(xù),試樣內(nèi)部的變形量逐漸增大,如圖2a所示。相對密度也呈現(xiàn)類似的分布情況,高壓扭轉(zhuǎn)2圈后試樣致密度超過0.996,如圖2b所示。

圖2 高壓扭轉(zhuǎn)后試樣的場量分布

圖3 a所示為高壓扭轉(zhuǎn)過程中試樣上跟蹤點(diǎn)P1、P2、…、P6的等效應(yīng)變變化情況?？梢钥闯?試樣的變形分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段上模下行,上模進(jìn)入保壓狀態(tài),此時(shí)的變形是壓縮變形,試樣各處的變形量基本相同。第二個(gè)階段為上模保壓、下模旋轉(zhuǎn)階段。在這個(gè)階段,試樣各處的旋轉(zhuǎn)半徑不同,試樣邊緣處(P1點(diǎn))的旋轉(zhuǎn)半徑最大,角應(yīng)變最大,因此試樣邊緣處的等效應(yīng)變最大,模擬結(jié)束時(shí)達(dá)4.55,說明該處試樣受到了強(qiáng)烈剪切變形的作用;試樣頂部(P6點(diǎn))的旋轉(zhuǎn)半徑最小,角應(yīng)變最小,剪切變形對試樣變形量的增大幾乎沒有貢獻(xiàn),因此試樣頂部的等效應(yīng)變最小,此處變形主要是由于試樣厚度方向的減薄引起的。

圖3b所示為高壓扭轉(zhuǎn)過程中試樣上跟蹤點(diǎn)的相對密度變化情況。可以看出,高壓扭轉(zhuǎn)具有顯著的致密效果。材料的致密過程分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段為高壓扭轉(zhuǎn)前的壓實(shí)階段,由于材料在初始階段內(nèi)部的孔隙多,上模的下壓使變形體內(nèi)部形成較大的三向壓力,所以密度上升較快。第二階段為材料進(jìn)一步致密階段,上模保壓、下模旋轉(zhuǎn),材料在承受三向壓力的同時(shí),還受到下模剪切力的作用,使致密度進(jìn)一步提升,在下模旋轉(zhuǎn)80s(1.17圈)時(shí),所有跟蹤點(diǎn)的相對密度都幾乎為理論密度值1。第三階段為致密度不變階段,在這個(gè)階段,雖然變形方式與第二階段相同,但因?yàn)椴牧弦呀?jīng)接近理論相對密度值1,因此致密度基本不發(fā)生變化。

圖3 試樣上跟蹤點(diǎn)的等效應(yīng)變和相對密度變化

2 實(shí)驗(yàn)方法、結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

(1)高壓扭轉(zhuǎn)過程。將燒結(jié)后的試樣放置在高壓扭轉(zhuǎn)模具中,實(shí)驗(yàn)中的加載方式與模擬中的加載方式相同。

(2)金相觀察及性能測試。圖4是對試樣進(jìn)行金相觀察及顯微硬度測量部位的示意圖,其中OD為金相觀察及顯微硬度測量方向,金相觀察所用的儀器為4XB-TV倒置金相顯微鏡和掃描電鏡(SEM),顯微硬度測量所用儀器為MH-3顯微硬度計(jì)。采用排水法對高壓扭轉(zhuǎn)前后試樣整體的相對密度進(jìn)行測定。

圖4 金相觀察示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高壓扭轉(zhuǎn)前的錐形件如圖5a所示,試樣表面呈灰白色;高壓扭轉(zhuǎn)后的錐形件如圖5b所示,從試樣表面可以看出明顯的金屬光澤。

圖5 高壓扭轉(zhuǎn)前后的錐形件照片

圖6 為高壓扭轉(zhuǎn)前后錐形件頂部的顯微組織照片,高壓扭轉(zhuǎn)前試樣的晶粒呈等軸狀,內(nèi)部存在較多粗大的孔隙,平均晶粒尺寸為 31.44μm,如圖6a所示。在200k N壓力下扭轉(zhuǎn)2圈后,試樣內(nèi)部孔隙收縮,晶粒沿一定方向伸長,晶粒尺寸略有減小,平均晶粒尺寸為 30.30μm,如圖 6b所示。

圖6 高壓扭轉(zhuǎn)前后錐形件頂部的顯微組織照片

圖7 為高壓扭轉(zhuǎn)前后錐形件邊緣處顯微組織形貌。高壓扭轉(zhuǎn)前試樣的晶粒呈等軸狀,內(nèi)部存在較多粗大的孔隙,平均晶粒尺寸為29.03μm,如圖7a所示。在200k N壓力下扭轉(zhuǎn)2圈后,試樣內(nèi)部孔隙收縮,在光學(xué)顯微鏡下看不到明顯的孔隙,晶界難以分辨,顯微組織明顯地沿一定方向排列,如圖7b所示。通過掃描電鏡觀察,如圖7c所示,可以看出高壓扭轉(zhuǎn)后組織內(nèi)部仍存在大量孔隙,但孔隙的分布均勻,有些較圓整,有些呈條狀分布,孔隙的平均尺寸約為2μm。

圖7 高壓扭轉(zhuǎn)前后錐形件邊緣處的顯微組織照片

表1所示為高壓扭轉(zhuǎn)前后測量的試樣不同部位的顯微硬度值,高壓扭轉(zhuǎn)前,試樣頂部的顯微硬度平均值為32.62HV0.1/10,邊緣處的顯微硬度平均值為18.32HV0.1/10;高壓扭轉(zhuǎn)后,試樣頂部的顯微硬度平均值上升至41.60HV0.1/10,上升了27.5%,試樣邊緣處的顯微硬度平均值上升至61.12HV0.1/10,上升了234%。試樣邊緣處的加工硬化效果更為顯著,說明此處的變形量更大。

表1 高壓扭轉(zhuǎn)前后測量的試樣不同部位的顯微硬度值(HV0.1/10)

實(shí)驗(yàn)中,燒結(jié)后未經(jīng)過高壓扭轉(zhuǎn)的試樣,其整體相對密度為0.8;高壓扭轉(zhuǎn)后,試樣整體的相對密度升高到0.980,接近完全致密。模擬中,試樣初始的相對密度是0.8;高壓扭轉(zhuǎn)后,試樣整體的相對密度超過0.996。如表2所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果有較好的一致性。

表2 高壓扭轉(zhuǎn)前后測量的試樣整體相對密度

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在高壓扭轉(zhuǎn)成形錐形件的過程中,上模壓力的存在使得試樣在高度方向產(chǎn)生壓縮變形;下模扭轉(zhuǎn)對試樣施加剪切變形,使得試樣組織沿著扭轉(zhuǎn)方向被拉長。

試樣頂部(圖1b中 P6點(diǎn))的等效應(yīng)變最小,這部分材料的變形以壓縮變形為主,在模具三向壓應(yīng)力的作用下,其內(nèi)部孔隙收縮,相對密度得到提高,晶粒發(fā)生變形,但與高壓扭轉(zhuǎn)前相比,變形量并不大,如圖3a、圖6所示。此處的加工硬化效果并不顯著,因此高壓扭轉(zhuǎn)后此處的顯微硬度僅為44.62HV0.1/10,上升不明顯,如表1所示。

試樣邊緣處(圖 1b中P 1點(diǎn))的等效應(yīng)變最大,在變形過程中,一方面受到模具三向壓力的作用,材料內(nèi)部孔隙開始收縮,相對密度顯著提高。另一方面受到下模旋轉(zhuǎn)的作用,材料產(chǎn)生強(qiáng)烈剪切塑性變形。在拉應(yīng)力的作用下,晶粒和孔隙沿剪切方向拉長,孔隙處的流動(dòng)阻力較小,晶粒開始充填孔隙,部分孔隙得到閉合。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí),晶粒產(chǎn)生斷裂,大的晶粒斷裂成細(xì)小的晶粒。在晶粒的斷裂和移動(dòng)過程中,孔隙被細(xì)小的晶粒所充填,大的孔隙逐漸變?yōu)檩^小的孔隙,如圖8所示。變形也導(dǎo)致了材料的加工硬化,因此試樣邊緣處的顯微硬度在變形后上升明顯,達(dá)到61.12HV0.1/10。

3 結(jié)論

(1)采用有限元軟件DEFORM-3D,對鋁粉燒結(jié)體采用HPT工藝成形錐形件的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明HPT工藝可以有效地提高錐形件的致密度。

(2)在室溫下,以純鋁粉末多孔燒結(jié)體為材料,采用HPT專用設(shè)備與模具,成功制備出了致密度達(dá)0.98的錐形件。

(3)HPT過程中試樣頂部和邊緣處的變形量不同。頂部的變形量小,該處致密度在變形后有所提高,但加工硬化效果不明顯,顯微硬度僅為41.60HV0.1/10;邊緣處的變形量更大,組織方向性更強(qiáng),內(nèi)部孔隙平均尺寸僅2μm,致密度顯著提高,加工硬化效果顯著,顯微硬度達(dá)到61.12HV0.1/10。

[1] 韓歡慶,姜偉,張鵬,等.金屬粉末在藥型罩中的應(yīng)用[J].粉末冶金工業(yè),2004,14(3)：1-4.

[2] 王毅,姜煒,劉宏英,等.粉末藥型罩材料及其工藝技術(shù)的研究進(jìn)展[J].含能材料,2007,15(5)：555-559.

[3] Zhilyaev A P,Nurislamova G V,Kim B K,et al.Experimental Parameters Influencing Grain Refinement and Microstructural Evolution during Highpressure Torsion[J].Acta Materialia,2003,51(3)：753-765.

[4] Krasilnikov N A,Sharafutdiniv A.High Strength and Ductility of Nanostructured Al-based Alloy Prepared by High-pressure Technique[J].Materials Scienceand Engineering A,2007,463(1/2)：74-77.

[5] Zhilyaev A P,McNelley T R,Langdon T G.Evolution of Microstructure and Microtexture in fcc Metals during High-pressure Torsion[J].Journal of Material Science,2007,42(5)：1517-1528.

[6] Zhilyaev A P,Lee S,Nurislamova G V,et al.Microhardness and Microstructural Evolution in Pure Nickel during High-pressure Torsion[J].Scripta materialia,2001,44(12)：2753-2758.

[7] Wetscher F,Vorhauer A,Stock R,et al.Structural Refinement of Low Alloyed Steels during Severe Plastic Deformation[J].Materials Science and Engineering A,2004,387/389：809-816.

[8] Vorhauer A,Kleber S,Pippan R.Influence of Processing Temperature on Microstructural and Mechanical Properties of High-alloyed Single-phase Steels Subjected to Severe Plastic Deformation[J].Materials Science and Engineering A,2005,410/411：281-284.

[9] 上官豐收,謝季佳,洪友士.高壓扭轉(zhuǎn)致純銅晶粒細(xì)化及與應(yīng)變的關(guān)系[J].材料研究學(xué)報(bào),2007,21(1)：73-76.

[10] 謝子令,武曉雷,謝季佳,等.高壓扭轉(zhuǎn)銅試樣的微觀組織與壓縮性能[J].金屬學(xué)報(bào),2008,44(7)：803-809.

[11] 周明智,李萍,薛克敏.粉末燒結(jié)體鐓粗成形過程熱力耦合有限元分析[J].塑性工程學(xué)報(bào),2005,12(6)：11-16.

[12] Doraivelu SM,Gegel H L.A New Yield Function for Compressible P/M Material[J].International Journal of Mechanical Science,1984,26(9/10)：527-535.