论文部分内容阅读
B4Cp/WCp/Al复合材料对中子和γ射线具有良好的屏蔽性能的同时还具备优良的力学性能和较高的耐磨性和耐腐蚀性，因此具有取代传统屏蔽材料作为新型结构功能一体化中子屏蔽材料应用于乏燃料贮存和运输等方面的潜力。为了将B4Cp/WCp/Al复合材料制成屏蔽器件，需对其进行塑性加工，然而由于硬质增强颗粒的加入降低了该复合材料的塑性，且塑性变形时颗粒和基体之间变形不协调，一旦热加工工艺选择不当，极易出现孔洞及开裂等缺陷。因此，通过研究B4Cp/WCp/Al复合材料的热加工性能来指导其热加工工艺的制定，对相关产品的高效率制备具有重要指导意义。 本文以粉末冶金法制备的热压烧结态20vol.％B4Cp/10vol.％WCp/2009Al复合材料的热模拟实验数据为基础，对该复合材料的高温变形行为及本构模型进行了研究。通过对B4Cp/WCp/2009Al复合材料热压缩过程的真应力-真应变曲线分析可知:热变形过程中该复合材料在高温条件下表现出明显的稳态流动特征，而在低温条件下则表现为明显的软化特征，且该复合材料对变形温度和应变速率均较为敏感。通过线性回归等数学方法求解了B4Cp/WCp/2009Al复合材料热变形过程中的相关动力学参数，其平均变形激活能Q为246.102kJ/mol。分别构建了Arrhenius型、修正的Johnson-Cook(M-JC)型和修正的Zerilli-Armstrong(M-ZA)型高温本构模型，将三种本构模型对流动应力的预测值与实验结果进行验证和对比，结果表明三种模型对不同实验条件下的流动应力变化预测均较为准确，其中Arrhenius模型的预测能力最佳，M-JC模型次之，再次为M-ZA模型。 根据动态材料模型(DMM)和Prasad失稳准则建立了B4Cp/WCp/2009Al复合材料热加工图。对其分析可知B4Cp/WCp/2009Al复合材料发生流动失稳的区域主要集中在变形温度300-450℃和应变速率0.001-0.01s-1的区域，该区域发生失稳主要是由于颗粒破碎和颗粒与基体间由于应力集中导致的界面脱粘造成;B4Cp/WCp/2009Al复合材料在实验条件下的最佳热加工区域为变形温度450-480℃和应变速率0.1-0.8s-1的区域。 参考热加工图中确定的B4Cp/WCp/2009Al复合材料的最佳热加工工艺对挤压态B4Cp/WCp/2009Al复合材料在轧制温度450℃、每道次压下量20％下进行热轧，通过6道次热轧将其制成3.5mm厚的薄板，热轧态板材表面未出现明显开裂。烧结态B4Cp/WCp/2009Al复合材料经热挤压和热轧后其致密度、界面结合性和力学性能均得到很大程度的改善。热轧态B4Cp/WCp/2009Al复合材料板在高温条件下表现出了良好的塑性;其在室温拉伸时的断裂方式主要为颗粒的脆性断裂和基体的韧性断裂，而在高温条件下则以基体的韧性断裂为主。 以B4Cp/WCp/2009Al复合材料为研究对象，在ABAQUS/Explicit上建立了三维有限元模型，对其热轧过程进行模拟。模拟结果表明，轧制过程中轧板表面温度由轧板与轧辊的热交换控制，而轧板中心温度由塑性变形引起的温升效应控制。由于在轧板表面和轧辊接魑区域黏着区的存在，使轧板近表面处等效应变-时间曲线上存在拐点，且使等效应变速率在轧制过程中出现突降。轧制结束后轧板边缘形成的裂纹是由该区域沿轧制方向分布的较高切应力引起。