利用旋转弯曲工艺细化和控制金属管材微观组织的机理研究

The metal tubes produced with the existing technologies are often accompanied with the grain coarsening, uneven microstructure, and microstructure fibrosis as well as poor mechanical properties. In the current project, the tube rotating bending process is newly proposed to refine and control the microstructure as well as improve the mechanical properties of the metal tubes. The cyclic tensile and compressive severe plastic deformation is formed in the metal tubes during the rotating bending process. The microstructure evolution of the metal tubes under this deformation will be investigated. The effect of deformation conditions on the microstructure of metal tubes will be analyzed. The relationships between microstructure evolution and strain rate as well as accumulated equivalent strain will be confirmed. The mechanism of microstructure evolution of metallic material under cyclic tensile and compressive severe plastic deformation will be clarified by carrying out this project. The refinement and control of microstructure as well as the improvement of mechanical properties of metallic materials will be realized by controlling the deformation parameters of rotating bending process. The research results of this project have a great significance on refining and controlling the microstructure as well as improving the mechanical properties of metal tubes. Even more important, it also has a great theatrical value because the cyclic tensile and compressive severe plastic deformation proposed in this project is a novel kind of severe plastic deformation process. This project also provides the scientific evidences for refining and controlling the microstructure as well as improving the mechanical properties of metal tubes with this novel kind of severe plastic deformation.

针对利用现有技术生产的金属管材普遍存在晶粒粗化、微观组织不均匀、微观组织纤维化、及综合力学性能不佳等问题，本项目提出利用管材旋转弯曲工艺细化和控制金属管材的微观组织并改善其力学性能。在旋转弯曲变形过程中，管材内部产生循环往复的拉伸和压缩大塑性变形，研究在此种变形作用下管材微观组织的演变规律，分析变形参数对微观组织结构的影响，确定应变速率及累积等效应变与微观组织演变之间的关系。项目预期将揭示在循环往复的拉伸和压缩大塑性变形作用下金属材料微观组织的演变机理，实现通过控制应变速率和累积等效应变及变形温度等参数细化和控制金属材料的微观组织并改善其力学性能。项目的研究成果对细化和控制管材微观组织、改善其力学性能具有重要意义，而且提出的循环往复的拉伸和压缩大塑性变形是一种全新的大塑性变形工艺，具有较高的理论价值，可以为利用此种新型大塑性变形工艺细化和控制金属材料微观组织，改善其力学性能提供科学依据。

在节能减排及可持续发展理念的背景下提出的运输机械轻量化技术促进了金属管材在工业领域的广泛应用。利用高强度金属管材制造的空心构件可以取代实心构件有效运输机械的重量。然而采用传统方法制备的金属管材往往存在晶粒粗大、晶粒被拉长、微观组织不均匀以及力学性能不佳的问题，从而限制了金属管材在工业领域的应用范围。为了满足工业应用中对空心构件强度和形状的要求，需要同时具有高强度和良好成形性能的金属管材。本研究提出一种可以应用于金属管材的大塑性变形工艺—旋转弯曲工艺来细化控制金属管材微观组织和提高金属管材的强度和塑性。为了研究不同变形参数对金属管材微观组织和力学性能的影响规律，本课题研究了不同变形温度、时间、弯曲角下金属管材的微观组织及力学性能，并利用有限元方法获得了不同变形条件下金属管材的变形行为以及应力应变分布。同时，为了研究本方法对不同金属管材的适用性，研究过程中采用了镁合金管、铝合金管以及黄铜管，研究旋转弯曲变形工艺对不同金属管材微观组织细化效果。通过研究发现，变形温度、时间以及弯曲角对金属管材微观组织细化效果影响较为显著。对于三种合金的金属管，与相同条件下未变形金属管相比，不同变形温度条件下，变形后金属管材平均晶粒尺寸减小。对于未变形与变形的金属管材，平均晶粒尺寸均随温度的升高而增大，但是减小率随着温度的升高而减小；随着变形时间的增加，金属管材平均晶粒尺寸逐渐减小，平均尺寸减小率也逐渐增加，但是增加的幅度呈下降趋势；随着弯曲角的减小，金属管材平均晶粒尺寸减小。旋转弯曲工艺参数对金属管材的力学性能有较大的影响，对于不同的金属管材，通过优化工艺参数可以获得最佳的力学性能。研究结果对不同金属管材制定最佳的旋转变形工艺参数提供了依据。另外，与传统金属大塑性变形过程中金属仅受到压缩变形不同，管材在旋转弯曲变形过程中受到循环往复的强烈压缩和拉伸应变，为金属材料大塑性变形工艺提供了一种新的思路。