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2001-金属高温塑性物理模拟材料制备及其性能

科研开发

金属高温塑性物理模拟材料制备及其性能Ξ

曹有名 于德弘(西安交通大学,西安 710049)

摘 要 采用塑炼共混的方法,用高分子弹性材料及塑性材料,配合无机填充材料和有机增塑剂,制备出能在常温条件下模拟金属高温塑性变形的复合材料。实验结果表明,模拟材料的应力应变关系,取决于该材料中弹性体与塑性体之比、无机填料及增塑剂的加入量。通过对金属材料的实际模拟显示,模拟材料对金属材料的高温变形具有优良的模拟效果。

关键词 物理模拟材料,金属,塑性变形

PREPARATION AN D PROPERTIES OF H OT2DEFORMATION

MODE L ING MATERIALS OF MATAL

Cao Y ouming Yu Dehong(Xi’an Jiaotong University,Xi’an710049)

Abstract The hot2deformation modeling materials of metal were prepared by blending of elastic and plastic material,fillers and plasticizer.The experimental results showed that the relationships of the stresses and strains of modeling materials depended on the ratio of elastic material and plastic material, the additions of fillers and plasticizer.The modeling materials have excellent effect in modeling hot2de2 formation of metal.

K ey w ords physical modeling materials,metal,hot2deformation

以往,金属材料的塑性加工、加工载荷的预测、塑成形的设计及优化、塑性变形中流动规律的研究等,都极大地依赖于人们的工作经验、实际技能、成型专家的直觉知识和原型实验。随着现代工业的发展,要求人们在解决金属变形问题时,应从经验知识的应用过渡到工程方法的应用上来。

目前,行之有效的工程方法有滑移成场法、有限差分法、能量法、有限元分析法等[1],这些方法都是在理论假设的基础上应用于不同材料变形问题,但要具体地运用这些方法,还需要了解材料的性能、成型工艺条件及成型设备等诸多因素;且对于某些较为复杂的变形,如滚挤、模锻等工艺,它们并不完全有效可靠。在实际应用中,即使知道诸多影响因素,要使用这些方法来解决实际问题也是麻烦而昂贵的。

物理模拟法避免了上述方法的缺陷。相对而言,用这种方法来处理金属材料的变形是方便而可靠的。它以塑性成型相似理论为基础,通过模拟材料来模拟某种条件和状态下金属的塑性变形,得到其他方法不能获取的变形资料和信息,以此预测变形力及设计加工工艺。目前,世界各主要工业国家开始采用粘土类软材料来模拟碳钢高温时的流动规律[2],这些模拟材料基本上均购自英国的Harbutt 公司,国内所研制的类似材料性能极不稳定[3]。基于此,研制新型模拟材料,同时对其性能进行研究显得极为重要。本文以高分子橡胶及塑性体作为基体材料,主要研究填料、增塑剂等其应力应变的影响,同时对金属高温变形进行实际模拟。

Ξ西安交通大学跨世纪人才基金资助

1 金属材料的应力应变特点

低温下,金属单晶体在塑性变形过程中产生应变硬化现象。具体表现为:要使滑移继续,则必须增加应力。如面心立方金属单晶体的应变硬化现象可以用公式(1)来表示:

σ=κεn εm exp (A/T )

(1)(1)式中,σ—应力;εn —应变; εm

—应变速率;T —起始变形温度+变形过程中温度增量;n —应变硬化指数;m —应变速率灵敏指数;k 、A —材料常数。

对那些在塑性变形时不产生应变硬化的材料叫做理想塑性材料,这种材料进入塑性状态之后,不需要再增加应力,即可产生连续的塑性变形。在塑性变形阶段,(1)式中的应变硬化指数及应变速率灵敏指数均为零。由于在塑性变形前后须经历弹性变形,其应力应变关系可用图1表示。金属材料在高温下接近于理想塑性,制备具有这类曲线的模拟材料,即是本文的主要目的之一

2 实验部分

211 原材料选择

根据金属高温应力应变特点,初步拟定原材料

组成如下:A —分子量较大的未硫化橡胶,平均分子量为30~50g/mol ;B —分子量较低的高分子塑性材料,分子量在103以下;C —无机填充材料,如轻值碳酸钙、滑石粉、钛白粉、白碳黑等;D —有机增塑剂,如液体石蜡、邻苯二甲酸酯类等。212 模拟材料的制备

按配方比例依次加入胶料A 、塑性高分子B 、增塑剂D 及填料C ,在双辊开炼机上,辊距控制在4~5mm 塑炼的2h 即可。213 测试试样制备及数据处理

把塑性模拟材料制成直径Φ=22mm ,高度L =22mm 的标准试样,放入如图2的压缩实验测试装置中进行测定。瞬时应力σ(i )如公式(2)所示;瞬时

应变ε(i )如公式(3)所示。

δ(i )=P (i )?S F (i )=P (i )?S V /[L -Q (i )]=4P (i )?S ?[L -Q (i )]

πL D

2

 (2) 公式(2)中,P (i )为瞬时压力值;V 为试样总体积;L —试样的原始高度;D —试样的原始直径;Q

(i )—实际位移值;

ε(i )=l n L -Q (i )L

=l n (1-Q (i )

L

)

(3)

用计算机编程对压缩曲线进行数据处理,则容易求出瞬时应力和与瞬时应变关系曲线

图2 压缩实验测试装置示意图

1—压力传感器,2—位移传感器,3—标准试样,4—函授记录仪,5—动态记录仪

3 结果与讨论

311 橡胶含量与应力应变关系

图3 橡胶用量与应力应变关系

图3是橡胶及塑性体的总含量为30%(wt ),其

他成分固定不变,仅改变橡胶和塑性体的比例。其中,配方1橡胶与塑性体重量之比为2∶1,配方2橡胶与塑性体之比为115∶1。图3表明,橡胶含量越

高,则模拟材料的应力应变曲线越接近线形关系,即σ=κε,具有虎克弹性行为,如图3中配方1所示;相反,增加模拟材料中塑性体的含量,模拟材料的应力应变出现明显的弹塑性行为,如图3中配方2所示。

由于所选用的塑性体分子量较低,当其被加入后,相当于起到分散剂的作用,因而可以减少橡胶大分子之间的缠结而降低弹性,在曲线上表现为经过较低的弹性区而很快进入塑性段。312 增塑剂用量与应力应变关系

配方3及配方4的主要组成如表1,其应力应变曲线如图4所示。分析表1及图4可知,增加增塑剂用量,应力应变曲线产生一屈服现象,且进入塑化区域后,塑化区长度增加。这是由于在加入塑化剂之前,橡胶大分子链之间由于相互作用力较大或分子链较长而相互缠结,

故而须具有较大的应力模拟材料才能变形;加入增塑剂后,增塑剂小分子因溶剂化或诱导力作用,与橡胶大分子形成时解时结的连结点,这些连结点的形成减小了橡胶大分子之间的相互作用力或降低其相互缠结点数目,当受到外

力作用时,橡胶大分子链容易发生滑移,

因而表现出更大的塑性,如图4中配方4所示。

表1 配方3及配方4的组成

成分配方3

配方4

未硫化橡胶

100100

高分子塑性体100100填料500500增塑剂

25

图4 增塑剂与应力应变关系

313 填料用量的影响

表2为配方5及配方6的主要组成,其应力应

变关系如图5所示。分析表2及图5可知,填料用量较少时,曲线出现应变硬化现象;增加填料用量,曲线所表现的塑性程度显著增加。由于所选用的无机填料均为粒度为几十微米的刚性粒子,刚性粒子的加入能够显著降低橡胶材料的弹性,故而表现出

以上的性质。

表2 配方5及配方6的组成

成分配方5

配方6

橡胶

100100塑性体8080填料

110

140

图5 填料用量对应力应变关系的影响

———为15CrNiMnW 钢在1100℃的应力应变曲线Stress1……为模拟材料在25℃的应力应变曲线Stress2

图6 金属高温应力应变曲线与模拟

材料常温应力应变曲线比较

4 对金属材料的实际模拟

根据反复实验,综合考虑各个影响因素,最终找到了模拟金属高温变形的理想配方。为此,通过与钢的有关参数进行对比可以发现,除了泊松比相差较大外,模拟材料的应变硬化指数n 及应变速率灵敏指数m 与钢的非常接近。图6中两曲线分别为15CrNiMnW 钢在1100℃时的应力应变曲线与常温下模拟材料的应力应变曲线,图6表明模拟材料对

这类钢材具有优良的模拟效果。在此基础上,对某锻件的锻终过程进行了模拟并计算出指定截面上的应变分布情况(限于篇幅 图7略—编者),为分析锻件质量、改进工艺设计提供了依据。

表3 钢与模拟材料的物理性能

钢模拟材料

泊松比υ01330145

n01250120

m01050106

5 结论

以橡胶、塑性材料、刚性填充粒料及增塑剂来制备在常温下能够模拟金属高温变形特性的模拟材料,其方法是可行的。橡胶主要对弹性部分进行模拟,同时对刚性填充粒子起到粘合作用,塑性材料及增塑剂模拟塑性部分,刚性粒子使得模拟材料具有一定的强度和硬度。模拟材料对金属的高温变形具有优良的模拟效果。

参考文献

1 汪士年主编.金属塑性成型原理,1986,24~45

2 V.K.Jain,L.E.Matson.Physical Modeling of Metalworking Pro2 cesses.J Mater Shaping Technol,1988,5:243~256

3 于德弘,赵升吨.塑性成型总体物理模拟技术及其应用.第六届全国锻压年会论文集,1995,169~173

收稿日期:2000-4-5

淄博齐鲁乙烯化工有限公司

端羟基聚丁二烯液体橡胶H ydroxyl-treminated liquid polybutadiene rubber

一、结构简式

HO_CH2-CH=CH-CH2ηOH

二、商品形式

无色透明或浅黄色液体。

三、用途

端羟基聚丁二烯液体橡胶(简称丁羟胶、或HTPB)是国家科委科技攻关项目,是一种继聚酯多元醇、聚醚多元醇之后才出现的一种液体橡胶,它通过与扩链剂、交联剂在室温或高温下反应可以生成三维网络结构的固化物。该固化物具有优异的力学性能,优异的耐水解、耐酸碱、耐磨、耐低温和电绝缘性,为其它聚酯、聚醚所不及。此外,与其它品种的液体橡胶相比,丁羟胶的粘度低,除用于复合固体推进剂的粘结剂外,还可以用于生产浇注型弹性体、汽车、飞机的结构材料、建筑材料、灌封材料、涂料、胶粘剂、环氧树脂改性及橡塑改性等多种用途。

四、产品规格3

规 格ⅠⅡⅢ

外观无色透明或浅黄色液体

羟值(mmol/g)>0.800.65~0.80.5~0.65数均分子量Mn<25002500~35003500~4500粘度(40℃,Pa?S)<3.0<8.0<9.0

水分(%)<0.05<0.05<0.05

过氧化物(以H2O2计)%<0.05<0.05<0.05

 3可根据用户需要提供相应规格产品。

五、包装

50KG或25KG塑料桶包装(或根据用户要求包装)。

 联系人:贾立华 刘洪华 朱文博 地 址:山东省淄博市临淄区大武路116号 电 话:(0533)7480951传 真:(0533)7480487 邮 编:255414 手 机:130********

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