镁基大块非晶合金微塑性成形数值模拟与实验研究

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	镁基大块非晶合金微塑性成形数值模拟与实验研究
	程明
学位类型	博士
导师	张士宏
	2006-06-15
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	金属研究所
学位专业	材料加工工程
关键词	镁基大块非晶合金微塑性成形流变行为评价参数数值模拟
摘要	微塑性成形技术是在传统金属塑性成形技术基础上，随着产品微型化而发展起来的一种以缩小尺寸为特征的精密加工技术。微型化带来的材料和工艺因素影响了有限元模拟技术在工艺设计和优化上的应用。大块非晶合金在玻璃转变温度Tg以上的过冷液相区表现出优异的加工性，利用微压印等成形工艺可以获得具有微小尺度特征的零部件。非晶合金避免了晶体材料中晶粒尺度下不规则表面带来的非均匀塑性流动，是一种理想的微塑性成形材料，有望在MEMS等精密加工领域得到应用和推广。　　本文在分析了超塑性行为、蠕变行为和流变行为特点的基础上，提出大块非晶合金在过冷液相区的粘性流动与超塑性行为和蠕变行为具有一定的相似性，即对于温度和应变速率都很敏感，变形过程相对缓慢；同时它们在材料、变形条件和变形机理方面也有明显差别。本文将处于过冷液相区的大块非晶合金所表现出的变形特性归于广义的流变行为（Viscous flow / Rheological behavior）。　　本文研究了Mg60Cu30Y10大块非晶合金在过冷液相区的流变行为，并建立了描述流动应力、应变速率和温度关系的唯象型本构方程。在此基础上，研究了温度、应变速率及合金系对合金熔体粘度的影响规律，并利用自由体积模型解释了大块非晶合金在过冷液相区流变性能对温度和变形速率依赖性的微观机制。结果表明，Mg60Cu30Y10大块非晶合金粘度与温度和应变速率的关系与La55Al25Ni20、Zr65Al10Ni10Cu15、Pd40Ni40P20等合金具有类似的规律。通过过冷液相区粘度变化来定性评价大块非晶合金的流变成形能力，可以确定镁基大块非晶合金比较适合于流变成形工艺。　　本文探讨了大块非晶合金在过冷液相区微压印成形过程的流变分析可行性，并进行了二维和三维的流变分析。在此基础上提出无量纲δ参数（合金流入深度与特征尺寸之比）作为微塑性成形性评价参数，获得了过冷液态大块非晶合金δ值的数学表达式。说明了过冷液态非晶合金类流体的物理本质。其不存在尺寸效应，是一种理想的微塑性成形材料。　　本文提出t/η作为另一个大块非晶合金微塑性成形性评价参数，使δ参数与大块非晶合金材料本身建立联系。并比较了t/η与可加工时间和最大长度两个评价参数，指出t/η能够更全面直观地反映非晶合金材料特性对成形的影响。　　本文首次推导了描述过冷液态大块非晶合金流变行为的蠕变型本构方程，并利用有限元软件ABAQUS对Mg60Cu30Y10大块非晶合金微压印成形过程相关因素对微成形性评价参数δ的影响进行系统研究。结果表明：摩擦因子和微槽尺寸对δ值影响不大。在玻璃转变温度以下，温度对δ值影响不大；进入过冷液相区后，随温度升高，δ值发生陡增。δ值随压力和成形时间的增加而增大，近似呈线性关系。随着晶化相体积分数的增加，δ值下降。在玻璃转变温度下，Mg60Cu30Y10合金的微成形性好于La55Al25Ni20、Zr65Al10Ni10Cu15和Pd40Ni40P20合金，也远优于超塑性铝合金和纯铝材料。　　本文通过有限元模拟建立了Mg60Cu30Y10大块非晶合金的热加工图，提出了高载荷区、可成形区和晶化区的概念并在图上加以界定。比较了Mg60Cu30Y10合金理想超塑性成形与恒压载荷成形过程，并通过有限元模拟证明了唯象的蠕变型方程与基于自由体积模型的机理型本构方程的统一性，以及粘度参数在评价过冷液态大块非晶合金微成形性中的重要作用。　　设计加工了用于微压印成形的实验装置，成功用于Mg60Cu30Y10大块非晶合金微压印成形实验，确定了δ值与特征尺寸、压力及加载时间的关系。有限元模拟结果与实验吻合较好。成功加工了Mg60Cu30Y10大块非晶合金微齿轮，并对实验中出现的填充不足、氧化、杂质元素的引入和晶化问题进行了分析。通过有限元模拟考察了Mg60Cu30Y10大块非晶合金微齿轮成形的载荷–行程曲线，结果表明应用蠕变型本构方程的有限元模拟方法可用于优化大块非晶合金微塑性成形工艺。
页数	152
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16906
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	程明. 镁基大块非晶合金微塑性成形数值模拟与实验研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2006.