精确塑性加工理论基础试题答案2018.doc

精确塑性加工理论基础试题答案2018.doc

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博士研究生课程

《精确塑性加工理论基础》

试题

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1、简述室温精确塑性加工或高温精确塑性加工的主要方法与技术特征。

（15分）

精确塑性加工技术是新材料技术、现代模具技术、计算机技术和精密测量技术与传统的锻造、冲压、挤压等工艺方法相结合的产物。

它使加工的制品达到或接近最终零件产品的形状和尺寸，实现质量与性能的优化，缩短制造周期和降低成本。

主要的精确塑性加工方法包括金属精密模锻、精密冲裁、挤压、等温模锻、超塑性模锻、旋压、液态模锻等，具体阐述如下。

（1）金属精密模锻是一种少无切屑加工工艺，与一般模锻相比，其优点为：

①材料利用率高；②减少或没有切削加工；③锻件尺寸精度和表面质量好；④金属流线分布合理。

对于具有一定生产批量的产品，采用精密模锻生产工艺，能显著提高产品生产率，降低成产成本及提高产品质量。

尤其对于钛、锆、钼、铌等难切削加工的贵重金属，采用精密模锻工艺生产效果更加显著。

（2）精密冲裁是在普通冲压技术的基础上发展起来的一种精密板料加工工艺，在压力机的一次或连续多次冲压行程中，由原材料直接获得比普通冲压零件精度高、粗糙度好、平行度高、垂直度好的高质量冲压零件。

精密冲裁可以取代普通冲裁及事后进行各种切削加工的繁杂工艺，并以较低的成本改善产品质量。

精密冲裁工艺不仅能冲裁小于料厚的孔、细长的窄槽、较小的壁间距等普通冲裁达不到的、工艺难度较大的零件，而且还可与其他冲压工序复合，进行如沉孔、压凸、压扁、弯曲、半冲孔、内翻边等精密冲压

（3）挤压是用冲头或凸模对放置在凹模中的坯料加压，使之产生塑性流动，从而获得相应于模具的型孔或凹凸模形状的制件的一种压力加工方法。

挤压时金属坯料处于三向压应力状态下变形，巨大的静水压力提高了材料的塑性变形能力，因此难成形的脆性材质如钛合金、铸造铜合金以及镁合金等都能采用挤压方法成功获得形状复杂的附件；同时挤压工艺具有零件尺寸准确，表面光洁，节约原材料和生产率高的特点。

（4）等温锻造是新近发展的一种锻造工艺，它是把模具加热到和锻坯同样温度的条件下进行恒温模锻，这样能够实现以较慢的变形速度进行锻造成形。

等温锻造的优点是：

1）没有模冷、表面氧化和局部过热，材料具有更理想的微观组织与机械性能；2）锻造载荷小，设备吨位大大减小；3）等温锻造可密切控制锻件尺寸，锻件的形状比常规锻造更符合实际需要，节省原材料，可大大减少机械加工和降低制造成本；4）等温锻造可密切控制加工参数，如锻造温度、应变速率等，所以锻件具有均匀一致的微观组织和优良的机械性能。

（5）旋压是利用旋压机使坯料和模具以一定的速度共同旋转，并在旋轮的作用下使坯料产生局部塑形变形，最后获得空心回转体零件的成形方法。

旋压加工的优点是设备和模具都比较简单（没有专用的旋压机时可用车床代替），除可成形如圆筒形、锥形、抛物面形成或其它各种曲线构成的旋转体外，还可加工相当复杂形状的旋转体零件。

缺点是生产率较低，劳动强度较大，比较适用于试制和小批量生产。

2、论述塑性加工过程物理模拟方法与适用塑性加工过程。

（15分）

金属塑性成形的物理模拟实验始于二十世纪初，50年代后发展迅速，它是以相似理论和金属塑性变形的“体积不变”原理为基础的实验分析方法，探索以模型研究原型（实物）、以低温研究高温、以易变形材料探究难变形材料、以简单可视过程研究复杂变形过程。

近些年来随着计算机技术不断应用于物理模拟试验的控制与测试，极大地提高了物理模拟的水平，模拟精度大大改善。

物理模拟方法广泛应用于锻造、挤压、轧制等的物理模拟分析，与有限元模拟结合可以大大提高产品研发速度。

金属塑性成形物理模拟实验的目的一般有以下几种：

（1）探明特定工艺条件下材料的流动机制；

（2）探索或验证某一理论；（4）研究某一工艺中成形参数对变形的影响；（5）优化设计模具和毛坯；（7）用于设计者与生产者之间衔接。

金属塑性成形的物理模拟一般包括两方面：

（1）模拟研究塑性成形过程的物理化学现象；

（2）模拟研究塑性成形过程中不同约束条件下变形金属内的应力应变特征和金属流动规律等。

常用的模拟方法有：

坐标网格法、视塑性法、莫尔（云纹）法、光塑性法和形状记忆法（逆变形法或逆网格法）等。

3、选择一种难变形材料，论述其高温塑性加工时工艺-微观-性能间关联特性与交互作用机理。

（20分）

改变工艺条件会影响钛合金α相和β相组成比例、晶粒尺寸、形貌和分布等微观组织特征，进而影响到钛合金的力学性能。

因此，控制微观组织成为了控制钛合金力学性能的一种重要方法。

以TC8钛合金的高温塑性变形为例：

（1）TC8合金在变形温度为820~900℃时高温压缩变形过程中，随着变形温度的降低和应变速率的升高，局部流动加剧；降低变形程度可以避免局部流动的发生。

TC8合金在两相区变形时，随着变形程度的增大，初生α相发生晶粒等轴细化现象，β相只有在较高变形温度下才发生晶粒等轴细化现象。

初生α相和β相的含量和形貌受变形温度影响较大。

（2）当钛合金在两相区较低温度下加热、变形和热处理后，容易获得等轴组织。

这种组织以等轴初生α相为主（>50%），兼有少量β转变组织或晶间β相，如图1-1（a）所示。

等轴组织综合力学性能较好，具有较高的塑性和疲劳强度。

随着等轴初生α相与β转变组织的组成比例和形貌的变化，其力学性能也有所变化。

合金中等轴初生α相含量越多，合金的塑性和疲劳性能越好，但合金的断裂韧性、高温蠕变和高温持久强度下降；反之，合金的断裂韧性及高温性能提高，但室温塑性下降。

（3）当钛合金在两相区较高温度下加热、变形和较慢速度冷却后，容易获得双态组织。

这种组织由少于或等于50%的等轴初生α相和β转变组织组成，双态组织具有较好的塑性和热稳定性，由于等轴初生α相含量较少，其持久、蠕变强度和断裂性略高于等轴组织。

（4）当钛合金在相变点以下10~15℃加热和变形，且锻后水冷并采用固溶时效强韧化热处理时，容易获得三态组织。

这种组织由10~20%的等轴初生α相、50~60%的网篮组织和β转变组织构成。

三态组织集等轴组织和网篮组织的优势于一身，具有优异的综合性能。

组织中少量等轴初生α相对变形起着协调作用，推迟了空洞的形核和发展，断裂前将产生更大的变形，从而显示出较高的塑性；大量网篮交织的片层次生α相不仅增加了相界面，提高了合金强度与抗蠕变能力，并且裂纹扩展将随着片层次生α相和α束域的位向不断改变方向，导致裂纹路径曲折、分枝多，因而断裂韧性好。

4、论述高温塑性加工时多尺度材料模型分类，建模过程与材料参数识别方法。

（20分）

高温塑性加工时多尺度材料模型主要分为微观组织模型和宏观塑性本构模型。

微观组织模型是实现金属或合金高温变形过程中微观组织预测的基础，塑性变形本构方程是联系材料流动应力和工艺参数的桥梁。

（1）建模过程：

首先在研究高温塑性变形过程物理机制和力学机制的基础上，以位错密度变化率为内变量建立钛合金锻造阶段的微观组织模型；以位错密度、晶粒尺寸和体积分数为内变量，建立钛合金锻造变形时跨宏观-微观-纳观的三尺度塑性本构方程，该方程可以定量计算不同基体相和不同变形机制对流动应力的影响。

（2）参数识别方法：

多尺度模型中位错密度、晶粒尺寸和静态再结晶体积分数等参数都是微分形式，位错密度等也难以准确测量，而且塑性本构方程式比较复杂，因此不能采用通常的数值方法求解这些模型中的材料参数。

遗传算法（GeneticAlgorithm，简称GA）是一种新型搜索最优技术，它通过向自然学习，借鉴生物进化机制求解问题，不需要涉及空间或函数的连续，因而适合于求解各类常规优化算法难以解决的函数优化问题。

5、论述高温塑性加工时塑性变形-传热-组织演变的耦合数值模拟原理、方法及关键技术。

（15分）

正确理解不同变形条件下材料内部的微观组织演化及其与材料高温变形过程之间的交互作用、建立能反映微观组织演化过程影响的流变应力模型是实现材料变形过程的有限元变形一传热一微观组织演化耦合分析的基础，从而能充分考虑微观组织演化、传热过程和变形过程之间的交互作用，为合理确定材料的锻造加工工艺和控制锻件质量提供科学依据。

首先需要建立流变应力模型并耦合到有限元程序中，同时考虑传热对变形过程的影响，建立起反映材料高温变形——传热——微观组织演化交互作用的数值模拟系统。

主要关键技术：

（1）变形——传热耦合分析，即为了解决锻造过程中塑性变形与传热的耦合分析问题，必须同时求解给定条件下塑性变形速度方程和热传导方程。

其本质是在同一有限元网格系统上，分别求解考虑速度影响的热传导方程和考虑温度效应的塑性变形速度方程，直到获得相应的收敛解。

实施耦合分析时，将速度场计算和温度场计算视为两个独立子系统进行求解，塑性变形对温度的影响是通过内热产生的热流矢量叠加到热传导求解方程中，而温度对塑性变形的影响是通过流动应力模型加以考虑。

（2）变形——组织演变分析，为考虑微观组织的影响，先建立金属材料在高温变形过程中的稳态流变应力模型，然后引入一个和微观组织参数相关的函数对稳态流变应力模型进行修正，从而实现对金属在整个高温变形过程中的流变行为进行描述。

该模型即考虑了变形过程中起支配作用的微观组织演化过程的影响，又仅以流变应力、等效应变、等效应变速率和变形温度为基本变量，使用方便，因而实用价值高。

6、列举一个或二个实例，论述微观组织耦合模拟式工艺参数优化方法与技术。

（15分）

以Ti-6Al-4V钛合金单榫头叶片顶锻、预锻和终锻过程为例：

首先需要研究工艺参数对Ti-6Al-4V合金高温变形力学行为和微观组织的影响；在此基础上建立钛合金加热、冷却和锻造各阶段的微观组织模型和塑性本构方程；建立反映塑性应变和微观组织演变影响的能量耗散率方程和不稳定准则，对Ti-6Al-4V钛合金单榫头叶片顶锻、预锻和终锻过程进行三维耦合数值模拟，实现工艺参数的优化。

分别论述如下：

（1）Ti-6Al-4V钛合金高温变形微观组织试验研究：

Ti-6Al-4V合金高温变形时的工艺参数对微观组织影响显著，初生α相晶粒尺寸随变形温度升高呈波浪状减少；随着应变速率增加，初生α相形貌由等轴状转变为长条状，微观组织参数随应变速率的变化规律受变形温度影响；随着变形程度增加，二次α相逐渐减少，初生α相晶粒尺寸呈先减小后略有增大的趋势，而变形程度对初生α相体积分数影响较小。

（2）微观组织建模研究：

基于位错强化机制和晶界强化机制，以位错密度、晶粒尺寸和体积分数等微观组织参数为内变量建立了钛合金锻造阶段塑性本构方程，该方程可以定量计算不同基体相和不同变形机制对流动应力的影响，反映了微观组织演变和宏观力学行为的交互作用。

以位错密度变化率和晶粒尺寸变化率为内变量建立了粘弹塑性本构方程；基于粘弹塑性本构方程，建立了同时反映塑性应变、位错密度和晶粒尺寸影响的能量耗散率方程和不稳定准则。

（3）微观组织模拟和工艺参数优化研究：

建立了塑性变形-传热-微观组织演变的有限元耦合数值模拟系统，利用此系统对Ti-6Al-4V合金单榫头叶片顶锻、预锻和终锻过程进行了三维耦合数值模拟，最终确定锻造时的加热时间、压下量、锻造温度等工艺参数对微观组织的影响规律并进行控制。

7、列举一个或二个实例，论述微观组织耦合模拟式工艺参数优化方法与技术。

（15分）

以Ti-6Al-4V钛合金单榫头叶片顶锻、预锻和终锻过程为例：

首先需要研究工艺参数对Ti-6Al-4V合金高温变形力学行为和微观组织的影响；在此基础上建立钛合金加热、冷却和锻造各阶段的微观组织模型和塑性本构方程；建立反映塑性应变和微观组织演变影响的能量耗散率方程和不稳定准则，对Ti-6Al-4V钛合金单榫头叶片顶锻、预锻和终锻过程进行三维耦合数值模拟，实现工艺参数的优化。

分别论述如下：

（1）Ti-6Al-4V钛合金高温变形微观组织试验研究：

Ti-6Al-4V钛合金高温变形时的流动应力随应变增加迅速增加，当应变超过一定值后，流动应力开始下降并逐渐趋