高速切削中切削速度对工件材料力学性能和切屑形态的影响机理

首先根据不同应变率阶段金属材料的塑性变形机制,分析工件材料强度和塑脆性随切削速度提高的变化规律,通过理论计算说明这种变化对切屑锯齿化的作用机制,揭示不同切削速度下产生不同形态切屑的控制机理;然后,在40~7000m/min切削速度范围对Inconel718,AerMet100,7050-T7451进行直角切削实验,分析切屑形态及工件材料脆化现象,验证随切削速度提高工件材料脆化及相应的切屑形态;最后,根据切削速度与切屑形态的对应规律,提出基于切屑形态的切削速度阶段划分方法.研究表明：随切削速度提高,材料强度提高、塑性降低,使得主变形区材料易于发生热塑性剪切失稳和断裂失效而使切屑锯齿化;对一般塑脆性金属材料,随切削速度提高,第一变形区材料热塑性剪切失稳的发生早于断裂失效的发生;对同一种工件材料,可根据切屑形态将切削速度划分为普通切削速度阶段、高速切削速度阶段、超高速切削速度阶段.     

42CrMo钢的动态力学行为及高应变率效应的本构模型

为研究42CrMo钢的冲击动态力学性能及本构模型,进行了冲击动态压缩实验和金相观察.材料表现出强烈的应变率依赖性,同时还得到不同应变率下力学性能差异的主要原因在于冲击动态载荷下的绝热剪切行为.采用热激活理论,分别考虑热应力和非热应力来解释变形机理,得到了应变率效应的描述.基于此,本文提出含高应变率效应的动态本构模型,通...     

基于铝合金板材应力反求与应力评测的飞机结构件加工变形控制新方法

在飞机结构件的高速切削过程中,随着7075铝合金厚板的材料去除,残余应力释放成为加工变形的关键因素.因此,研究加工变形随毛坯初始残余应力释放的演化规律,是进行加工质量控制的核心环节和基础,对于实现加工过程的高效化和精密化至关重要.首先依据弯曲变形理论,推导出工件随材料去除而产生的加工变形力学模型,通过厚向逐层施加单位应力,利用有限元方法计算变形因子,将力学模型分解为变形因子与残余应力之积的数学形式.其次,将加工要求作为加工变形的控制限,结合残余应力的自平衡特性建立残余应力规范模型,采用夹逼原则这一数学技巧,通过引入单位变量将应力规范模型转化为齐次线性不等式组,提出应力规范模型的枢轴变换反求技术.最后,通过任意变量转化为两个非负变量之差的数学技巧,提出了毛坯的实测应力值为应力规范的解的线性规划判断方法,实现了加工变形满足加工要求的预先评估.通过枢轴变换和线性规划方法将被动的加工变形分析转化为主动的残余应力评测,为切削上游工艺提供合理的出厂应力标准,实现毛坯制备与切削工艺的有机结合.     

不同合金元素对钛合金绝热剪切敏感性的影响机理

在相同的切削条件下对工业纯钛(TA2)和钛合金(TC4)进行切削试验,获得了不同形态的切屑.从价电子结构角度研究不同合金元素对绝热剪切敏感性的作用机理.研究结果表明,绝热剪切敏感性与界面电子密度和晶格电子密度有关,界面电子密度越大,结合强度越大,绝热剪切敏感性越高,晶格电子密度小,热导率低,绝热剪切敏感性亦高.TA2界面电子密度小,晶格电子密度大,绝热剪切敏感性低,切屑形态近似带状,TC4由于加入了合金元素Al和V,产生异相界面,界面电子密度增大,同时降低了晶格电子密度,使TC4有较高的绝热剪切敏感性,产生由绝热剪切带均匀间隔的锯齿形切屑.从价电子结构角度研究具体合金元素对绝热剪切敏感性的影响规律,可从一定程度上预测切屑形态,为设计、选择具有不同切削性能的材料,优化工艺参数提供参考依据.     

高应变率下RPC动态力学性能的试验研究

利用5种钢纤维掺量活性粉末混凝土(RPC)圆柱形试件的SHPB冲击压缩实验研究了10×100~1.1×102s?1应变率范围内RPC的动态力学性能,分析了不同应变率和钢纤维掺量下RPC的应力波动特征、破坏模式、强度及耗能能力的变化规律以及应变率和钢纤维掺量的影响.提出了不同应变率和钢纤维掺量条件下RPC动态应力-应变响应的基本模式与本构模型.研究表明:应力波作用下素RPC的应力响应高于应变响应,脆性特征显著.掺入适量钢纤维后,RPC碎裂时的应变率和变形能力较素RPC有明显提高.相同钢纤维掺量下,应变率增加时,RPC的峰值抗压强度、峰值应变和残余应变均有不同程度的提高,其中残余应变提高的幅度最大.相同应变率条件下,提高钢纤维掺量对于改善RPC碎裂后的残余变形能力作用不大.钢纤维对RPC峰值抗压强度和峰值变形能力的影响不同,相同应变率下,钢纤维率不超过1.75%时,峰值抗压强度随纤维率增加而增加;纤维率超过1.75%后,峰值抗压强度开始逐步下降;峰值应变随钢纤维掺量增加而持续增大.相同应变率下,从冲击开始至残余变形阶段RPC的总耗能Edisp随钢纤维掺量增加而逐步提高,但纤维率超过2%后总耗能Edisp则开始逐步下降.不同变形阶段钢纤维对RPC耗能所起的作用不同.钢纤维率不超过2%时,钢纤维对提高峰值变形前耗能的作用大于对提高峰值变形后耗能的作用.应变率对总耗能和各阶段耗能均有显著影响,应变率越高,各阶段的耗能越大,动态冲击时的韧性越好.给出了RPC峰值抗压强度、峰值变形、残余变形,以及各阶段耗能随应变率和钢纤维率变化的经验模型.采用标准化的应力和应变作为广义应力与广义应变,以应变率和钢纤维率为界,将RPC的动态应力-应变响应模式简化为4类基本模型,并给出了每类模型的数学表达式.     

高温变形过程中的动态再结晶类型识别

通过分析高温变形过程中伴随再结晶晶粒长大的内部位错密度变化,判别不同变形条件下动态再结晶过程的进行形式,研究动态再结晶形式对变形参数的依赖规律,发现：低温大应变速率下,高温变形过程中的再结晶形式以连续性动态再结晶为主;高温低应变速率下,以周期性动态再结晶为主.根据动态再结晶软化与加工硬化平衡,得到反映稳态流动时钛合金流动应力对变形参数的响应,建立具有实际物理意义描述钛合金稳态流动本构关系的Arrhenius型方程.通过热模拟压缩实验得到800~900℃,0.0005~10 s-1条件下的TC18钛合金高温变形流动应力应变曲线,验证动态再结晶形式的判据模型,并通过DMM耗散效率分布图分析模型的适用性.通过显微组织分析,研究不同变形参数下的高温变形过程中,不同动态再结晶形式对应的再结晶晶粒粗化/细化的特点.通过各变形条件下真应变？=0.8时的稳态应力验证得到的本构模型,并分析应变速率敏感系数的变化规律.     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型,通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时,孔隙率越大,反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小;孔隙率降至5％时反射波接近于单峰;应变率越高上述现象越明显;2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加,WJ／W1对应变率较敏感;3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙,应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙,原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显;孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关,低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主,但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少;高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制,其中孔隙变形占较大比例,应力波能量大部分被消耗于孔隙变形,表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

混凝土材料非线性多轴动态强度准则

将广义非线性强度理论的4个材料参数转化为混凝土材料的基本强度参数,通过混凝土材料的基本强度特性,分析了4个材料参数的变化规律与取值范围.基于S准则建立了混凝土材料4个基本强度参数的率效应表达式,建立了混凝土材料的非线性多轴动态强度准则,分析了动态强度参数的率效应规律,结果表明,混凝土材料的强度特性随着应变率的提高,逐渐向金属材料的强度特性过渡,在应变率从-3~3,应变率对混凝土动态强度的影响较大,并且动强度不是随着应变率的提高无限增大的,而是存在动强度峰值.通过与3组双轴压-压和2组双轴拉-压动态加载时混凝土材料试验结果的比较,表明非线性多轴动态强度准则可较好地描述混凝土材料双轴动强度规律.在同一应变率下,可较好地描述强度的非线性特性;不同应变率下,动强度面互不相交,即应变率效应与多轴应力状态对强度规律不存在耦合影响.     

微成形中尺寸效应研究的进展

微纳米尺度下微细工件塑性变形中会出现尺寸效应,即随着工件尺寸的减小材料的应力应变关系、塑性成形性能和摩擦系数等成形工艺参数呈现出与常规尺寸工件的塑性变形不同的特点,对于尺寸效应的研究是微成形工艺研究的基础.本文首先综述了实验观察到的各种尺寸效应现象,如随着晶粒尺寸的减小塑性变形机理发生变化,从而导致Hall-Petch关系的变化.然后,介绍了为描述材料应力应变关系中出现的尺寸效应而提出的各种材料模型,其中考虑表面层晶粒体积分数、工件尺寸与晶粒尺寸的比值、应变梯度等因素的影响对经典塑性塑性力学模型进行的修正可以从现象学的角度描述尺寸效应,而基于位错运动、统计存储和几何必须位错密度的演化、晶界滑动等塑性变形机理的的本构模型,不仅能更准确地描述尺寸效应等塑性变形行为,而且能更深入地揭示尺寸效应的物理本质.另外,对于尺寸因素与极限应变的关系和摩擦中呈现的尺寸效应研究也进行了介绍.     

纳米切削机理及其研究进展

纳米切削技术具有广阔的应用前景,是纳米精度加工,尤其是纳米精度复杂面型加工的重要手段,对整个先进制造业的发展起着重要的支撑作用.建立完整成熟的纳米切削基础理论进而发展高效率、低损伤的可控纳米切削技术是未来先进制造业发展的迫切需求.本文从纳米切削机理研究的常用手段、纳米切削模型、切削极限以及典型材料纳米切削理论及其关键技术等方面,综述了该领域的国内外研究现状及主要成果,并简要介绍了本项目组所开展的相关研究工作.最后对纳米切削机理研究存在的挑战进行了总结和展望.     

单晶铜线材在冷拉拔变形过程中的组织演化

采用光学金相、电子背散射衍射和透射电子显微镜对单晶铜线材拉拔变形的组织演化进行了分析. 发现单晶铜线材除了有少量的晶界之外, 还有枝晶和少量生长孪晶, 但凝固过程中所产生的枝晶在变形组织中却很难观察到. 在室温下拉拔变形过程中, 单晶铜线材的组织演化可分为 3 个阶段, 当真应变小于0.94时, 宏观尺度上晶粒没有发生明显的分裂, 从微观尺度上讲, 组织的演化为位错胞形成以及沿拉丝方向拉长的变形阶段; 真应变为0.94~1.96时, 宏观上出现晶粒分裂, 微观上胞块和沿{111}的MBs开始增多; 真应变大于1.96时, 宏观上晶粒分裂加剧, 形成纤维状组织, 微观上出现剪切变形的S带. 随变形量的增加, 由晶粒竞争生长形成的á100ñ丝织构转变为á100ñ, á111ñ以及比较弱的á112ñ丝织构, 剪切变形是织构组分转变的原因. 变形形成的界面, 其角度随变形量增加而增大. 真应变为0.94时, 界面属于小角度界面; 真应变为1.96时, 界面角度超过50°, 并在25°~30°高角度范围出现了由织构演化所形成的第2个峰.     

泡沫铝／环氧树脂复合材料压缩力学行为的仿真分析

根据所制备的开孔泡沫铝／环氧树脂复舍材料的结构特点,对其材料结构进行了合理的简化。在此基础上采用ANSYS／KS—DYNA软件对该材料的压缩力学行为进行有限元仿真分析;得出了该材料在压缩过程中的变形和失效过程以及应力-应变关系随其结构参数（泡沫铝孔径、泡沫铝相等密度）及应变率的变化规律。如上规律与已有文献的物理实验研究结果相一致,从而证明了该仿真方法的合理可行性,为泡沫铝孔洞填充复合材料的性能研究提供了一种新方法。     

动态载荷下羟基磷灰石骨替代材料刚度的力学相容性

羟基磷灰石骨替代材料被植入人体后骨组织在其内部生长, 它的强度、刚度会逐渐增加. 其力学相容性是指成为活体骨的一部分后, 其力学性质应与周围骨组织的力学性质一致. 由于骨的力学性质与应变率相关, 骨替代材料的力学相容性既包括静态也包括动态力学性质. 应用分离式霍普金森压杆实验技术(SHPB)研究了羟基磷灰石骨替代材料、不含有机物的牛骨和含有机物的牛骨动态力学性质, 测量了 3 种试样在冲击载荷下的应力-应变曲线, 比较分析了 3 种材料的弹性模量的差别, 以判断胶原纤维的作用. 将羟基磷灰石骨替代材料看作颗粒复合材料, 估计了植入体内后其弹性模量的变化, 判断其动态刚度方面的力学相容性. 确定所研究的羟基磷灰石骨替代材料的孔隙率在0.8左右时有利于刚度方面的相容性.     

页岩气储层微观渗流机理研究

页岩气储层孔隙结构复杂,纳米孔隙所占比例大,而纳米孔内部气体流动机理不同于宏观流体流动,因此认识页岩气在纳米孔隙中的流动机理对页岩气的高效开采具有重要的科学意义.页岩气开采过程中,纳米孔的吸附解吸、应力敏感效应及滑脱效应使渗透率发生显著变化.为此,基于毛细管模型耦合考虑吸附变形修正应力应变的渗透率模型,在此基础上,考虑滑脱效应影响,建立页岩表观渗透率模型来描述气体流动.通过试验数据验证其合理性,并对模型相关参数对表观渗透率的影响进行讨论.研究结果表明,新建页岩表观渗透率模型能够合理地描述页岩气真实储层条件下气体的流动,考虑了吸附变形、应力敏感及应力变化下纳米孔气体滑脱效应等微观机理.在围压恒定条件下,新建模型计算出的曲线均与实测值吻合较好;随孔隙压力升高,页岩表观渗透率呈指数函数降低.两种气体的表观渗透率随平均分子自由程的增大而增大;孔径越大,在压力区间内渗透率越高,且随孔隙压力升高,渗透率逐渐降低.页岩表观渗透率对弹性模量较为敏感,弹性模量增大会导致在其压力阶段内有较高的渗透率;在孔隙压力升高过程中,裂隙压缩系数越小,渗透率越高;随温度的升高,页岩表观渗透率呈上升趋势.所建模型能为页岩气生产动态分析、产能预测和生产制度制订提供指导.     

基于SHPB试验的高速铁路CRTSⅡ型CA砂浆动态性能

采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验研究了高速铁路CRTS II型水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)的动态力学性能,并建立了CRTS II型CA砂浆的动态本构关系模型.结果表明:随着应变率的增大,CRTS II型CA砂浆峰值强度逐渐增加,但增加速率随应变率的增大而减小,当应变率从44.17增加至54.79 s-1和从54.79增加至108.47 s-1时,峰值强度分别增加了初始峰值强度的52.28%和7.5%,弹性模量随应变率的变化规律性较差;应变率越大,破坏时的贯通裂纹越多,碎裂程度越大;CRTS II型CA砂浆的比能量吸收随着应变率的增大而增大.所建立的动态本构模型拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性.     

基于微观分析的质量侵蚀模型研究

采用微观分析实验研究侵彻实验后剩余弹体表面的质量侵蚀痕迹,确定和总结弹体质量侵蚀的物理机制.基于微观分析实验结果,改进Archard模型的形式,获得表征切削弹体头部材料的切削速度,考虑侵彻过程中弹靶间的摩擦生热对切削因子的影响,采用温度项连接摩擦与切削两种机制,采用节点回退法表征弹体头部形状的变化,建立融合摩擦与切削两种机制的质量侵蚀模型,对比数值计算结果与国内外典型的实验数据,证实该弹体质量侵蚀模型有效.     

冻融循环作用下超高性能混凝土界面过渡区微观力学性能劣化研究

为了探究冻融作用下超高性能混凝土(UHPC)的抗冻性机理,利用纳米压痕技术对钢纤维-浆体以及细砂-浆体两种界面过渡区的微观结构和微观力学性能进行研究.研究表明:钢纤维-浆体界面过渡区中存在明显薄弱带,微观结构受冻融影响较大.冻融作用下水化硅酸钙、氢氧化钙的弹性模量和硬度相对变化幅度小于0.2.微孔洞体积分数随冻融循环次数增加呈指数增长,且孔径逐渐扩展到几十微米.钢纤维界面过渡区厚度经0～1500次冻融后从20μm逐渐扩展到65μm左右.随冻融循环次数增加,微孔洞体积分数呈指数函数增长,钢纤维界面过渡区厚度也逐渐扩展,因此可以用来有效地表征冻融作用下UHPC界面过渡区的微观力学性能劣化机理.     

冲击载荷下弹体材料断裂破坏的数值模拟研究

高强钢作为弹体结构设计中最常用的一种材料,针对其在冲击载荷下断裂破坏特性的数值模拟研究一直以来都受到研究人员重视.此类问题通常涉及材料在高温、高压、高应变率环境下的动态响应与破坏.因而本文提出了一种Euler网格与Lagrange标志点相耦合的局部标志点映射算法.该算法在Euler网格中添加带正六面体影响域的标志点,根据标志点与网格的拓扑关系,通过影响域加权将网格物理量映射到标志点上.基于MPI标准编写了三维并行程序代码,在程序中引入Johnson-Cook本构关系与等效应变断裂判据,对钢板在爆炸载荷作用下的破坏行为进行了数值模拟.与实验结果的对比表明,本文提出的算法结合了Euler方法和Lagrange方法的优点,能很好地处理材料的大变形及破坏过程,同时保证了计算精度和效率,可以更好地应用于各类冲击问题的数值模拟研究.     

铝锂合金高速铣削表面完整性实验研究

铝锂合金密度低、比强度高、比刚度高等优良特性使得其成为新一代航空航天飞行器的主要结构材料.飞机蒙皮作为维持飞机外形的主要结构件,在飞机起飞降落过程中承受舱内外压差变化所引起的交变载荷作用,因此对于蒙皮结构零件的疲劳强度要求十分苛刻.零件的疲劳裂纹萌生往往是从表面的微观缺陷开始,并且表层以及亚表层的力学状态将影响裂纹萌生以及扩展速度.表面完整性包括表面的几何轮廓、显微硬度、金相组织、残余应力等,这些因素综合影响着零件的疲劳性能.与此同时,表面完整性表征参数与被加工材料属性、热处理状态以及加工工艺等具有密切的联系.研究了铝锂合金的机械铣削加工工艺对于其表面完整性的影响.传统蒙皮结构加工往往采用化学铣削的方法进行,占用厂房面积大,污染严重,废液处理费用高等,不符合现代可持续绿色制造的理念.目前对于铝锂合金的超塑成形工艺研究较多却鲜见有相关铝锂合金切削表面完整方面的相关研究.研究在干切情况与液氮冷却情况下切削三要素以及上一道滚压工艺对于表面完整性的影响,通过正交试验的方法全面考察了工艺参数对于表面形貌各个指标、表层亚表层金相组织以及残余应力的影响权重,并且验证了其显著性.比较了干切与液氮低温切削情况下表面形貌以及残余应力状态的异同点,验证了液氮冷却切削对于铝锂合金表面完整性提升的有效性,为提高铝锂合金疲劳性能提供了实验依据.     

室温轧制Cu/Al多层复合薄带的变形诱导反应扩散现象

以退火态工业纯铝、纯铜薄带为原料,将8层铜带、7层铝带,共15层以相互交替方式叠在一起,利用自行研制的微成形轧机,在室温下对其进行多道次轧制.在没有任何中间退火等热处理的情况下,当累积应变达到83%时,通过OM观察发现冷轧大变形后的Cu/Al界面处有新相形成.经SEM/EDS分析,发现这些新相是金属间化合物Al_2Cu/AlCu/Al_4Cu_9的混合物,是由反应扩散获得的产物.这些金属间化合物与原有的金属母体构成了一种新的复合材料.特别有意义的是:由于实测和有限元模拟计算两种方法都证实轧制过程中温升低于28℃,因此该反应扩散不是缘于常见的"热"作用,而是由于室温大变形轧制中应力-应变的作用.本文将这种现象称为变形诱导反应扩散,并对其机理进行了分析和阐述.该研究结果是在室温下加工获得金属间化合物的一个实验证据,为获得一类新型复合材料提供了新途径.