一种石墨烯增强铝基复合材料热加工工艺优化新方法与流程

1.本发明属于石墨烯增强铝基复合材料加工领域，具体涉及一种石墨烯增强铝基复合材料热加工工艺优化新方法。


背景技术：

2.为满足国家节能减排和可持续发展的战略要求以及工业产品和新型装备产品节能减重的技术需要，必须提高对材料性能的要求，使其更轻质，性能更高，因此广泛应用复合材料是实现轻量化的一种很有效的途径。与传统的增强体(碳纤维、陶瓷、碳纳米管等)相比，石墨烯具有良好的力学性能，密度低，拥有最高的导热性能以及最低的热膨胀性能，铝基体中加入石墨烯可以显著提高其强度和硬度，并保持铝基体的高延展性，所得到的石墨烯增强铝基复合材料的热导率也显著提高。因此，石墨烯铝基复合材料具有极好的发展前景。
3.然而在实际生产中，材料加工性的好坏影响着产品的质量及生产效率，为了更好的预测加工工艺，往往通过构建热加工图的方法来研究，热加工图主要有三个用途：1.选择变形工艺参数和改善材料的加工性能；2.控制变形过程中形成的组织结构，形态和分析变形机制和组织演变规律；3.分析塑性失稳的原因，避免缺陷的发生。目前应用最广泛的是基于动态材料模型(dmm)建立热加工图的方法。
4.动态材料模型最早是由gegal和prasad提出，dmm方法是倚靠于大塑性变形连续介质力学，物理系统模型(电磁学中的功率耗散量和功率耗散协量等概念)和不可逆热力学理论基础建立的。dmm阐明了外界作用的能量是如何通过工件塑性变形而耗散的，它将材料大塑性变形和组织微观演变联系起来，从能量耗散的角度揭示了材料的组织演变过程。


技术实现要素：

5.该方法包括如下技术方案：一种石墨烯增强铝基复合材料热加工工艺优化新方法，包括：1)将0.5wt％石墨烯增强铝基复合材料试样进行热模拟压缩实验，获得热模拟压缩数据；2)根据所述热模拟实验数据绘制相应的真应力-应变曲线，采用插值和矩阵化的方法做出功率耗散图；3)根据所述热模拟实验数据，通过插值和矩阵化的方法做出流变失稳图；4)将所述的功率耗散图和流变失稳图进行叠加，结合deform-3d软件进行数值模拟结果分析，设置判据，得到dmm塑性加工图，即得。
6.优选的，所述的材料为0.5wt％gr-al石墨烯增强铝基复合材料，具有良好的力学性能和热加工性能，与dmm塑性加工图的匹配效果好，加工工艺优化效率高。
7.为了与通用的热模拟试验机相匹配，本发明优选的0.5wt％石墨烯增强铝基复合材料的尺寸为φ8mm
×
12mm。
8.为了使整个试样的温度均匀一致，本发明优选采用了不锈钢耐热合金楔形底座及wc圆柱型压头。
9.为了减少试验时端面的摩擦力影响，本发明优选采用了在试样的端部涂抹润滑油，同时在压头和试样之间夹一层石墨片。
10.优选的，所述热模拟实验中，变形温度为330～450℃，应变速率为0.01～10s-1
。为了提高0.5wt％石墨烯增强铝基复合材料的工艺优化效果，尽量在有限的试验次数中选择最具代表性的点，本发明通过大量实验摸索后发现：就本发明的方法而言，采用变形温度为330～450℃，应变速率为0.01～10s-1
时，可获得需要的全部数据。
11.优选的，在进行deform-3d软件进行数值模拟结果分析时，导入的本构方程是经过优化之后的the modified jc model(jc模型)，比较实验数据和本构模型预测值的相关系数，其结果与真实实验数据相比较最误差为-0.0159～ 0.0178,平均计算结果为100.0032047％。
12.优选的，所述的dmm塑性加工图由功率耗散图和流变失稳图叠加而得。
13.与现有技术相比，本发明专利的有益效果如下：1、本发明中，dmm塑性加工图是以等高线形式输出，将本发明提出的功率耗散图和流变失稳图，经过叠加，即获得材料的dmm塑性加工图，以等高线图形式表达，以二维图和三维图的方式表现出来。
14.2、基于dmm建立的热加工图可以很好的指导0.5wt％石墨烯增强铝基复合材料的热加工工艺，它不仅能够确定该材料的变形机制，还可以确定和描述出0.5wt％石墨烯增强铝基复合材料在热加工过程中的非稳态区域，避开这些非稳态区域所包含的变形温度以及应变速率，对加工参数进行优化，可以提高该产品的质量和生产效率。
15.3、本发明给出了0.5wt％gr-al复合材料在不同热变形加工条件下的安全区域和失稳区域，避免了因加工缺陷而导致的工件判废，从而减少经济损失。
16.4、本发明实现方法比较容易、实用性强、加工效率高，易于推广。
附图说明
17.图1为本发明0.5wt％gr-al复合材料热加工工艺优化流程图。
18.图2为本发明0.5wt％gr-al复合材料在不同变形温度的真应力-应变曲线。
19.图3为本发明0.5wt％gr-al复合材料在不同应变速率的真应力-应变曲线。
20.图4分别为0.5wt.％gr-al复合材料在挤压温度为430℃，450℃，470℃，挤压速度为1mm/min，5mm/min，10mm/min参数下的挤压载荷曲线图和损伤系数分布曲线图。
21.图5为本发明0.5wt％gr-al复合材料在应变量为0.3,0.4,0.5时的功率耗散图。
22.图6为本发明将0.5wt％gr-al复合材料在不同应变量下的功率耗散图和流变失稳图叠加可以得到材料的热加工图。
23.图7为本发明不同热变形参数下0.5wt％gr-al复合材料的ebsd图以及晶界图。
24.图8为本发明不同变形参数下的odf图，其中(a)603k，10s-1
(b)723k，10s-1
(c)723k，0.01s-1
。
具体实施方式
25.应该指出，以下详细说明都是示例性的，目的是对本发明专利做进一步的说明，以便能够更好地理解本发明的创新点及其优点，同时这些具体实施方式仅是说明的目的，并不是对本发明的限制。
26.1、以热压工艺制备的0.5wt％石墨烯增强铝基复合材料为例。将其在真空热压炉中压制成φ50mm
×
30mm的圆柱体，所用压力为30mpa，温度为600℃，保温时间为1h。采用线切割技术，沿圆柱体的轴向将材料加工成φ8mm
×
12mm的小圆柱体，然后将圆柱体在gleeble-3500热模拟试验机上进行压缩实验。
27.2、热模拟压缩实验具体操作步骤为：以10℃/s的加热速率将材料加热到变形温度(变形温度为330℃，360℃，390℃，420℃，450℃)，加热到变形温度后保温2min，然后按照不同的应变速率(0.01s-1
，0.1s-1
，1s-1
，10s-1
)进行压缩实验，压缩程度为50％(真应变为-0.7)，在压缩结束之后，立刻进行冷却，保留高温组织。
28.3、实验时，为了减少试实验时端面的摩擦力影响，在试样的端部涂抹润滑油，同时在压头和试样之间夹一层石墨片。试验时由冲程来控制变形量，压头移动速率控制真应变速率，负载传感器记录真应力值。
29.4、根据热模拟压缩实验数据，计算得到0.5wt％gr-al复合材料在不同条件下的真应力应变曲线，如图2，图3所示。然后根据应力应变之间的数据关系，确定该材料的本构方程，本发明采用经过优化之后的the modified jc model(jc模型)，σ＝(b0 b1ε b2ε2)
·
(1 c0lnε
r
)exp[(λ1 λ2lnε
r
)t
r
]，将本构方程输入模拟软件deform-3d的数据库中，建立该材料的数据库，模拟出了挤压载荷分布参数及平均损伤系数分析规律。如图4所示，分别为0.5wt.％gr-al复合材料在挤压温度为430℃，450℃，470℃，挤压速度为1mm/min，5mm/min，10mm/min参数下的挤压载荷曲线图和损伤系数分布曲线图。从挤压载荷和平均损伤系数来看，挤压温度越高，挤压速度低时更加适合0.5wt.％gr-al复合材料的挤压。
[0030]
5、通过动态材料模型(dmm)可以描述出对所加工材料的优劣。它是将材料的热加工视为热力学封闭系统，在这个系统中，包括功率能的输入、功率的转移以及功率的耗散。其中设备输入的功率能p如下数学表达式：输入能量p主要由两部分组成：一部分是材料发生塑性变形所消耗的能量，称之为功率耗散率，由g表示，其中大部分能量转化成热量，小部分以晶体缺陷能的形式储存。另一部分是材料变形过程中组织演变消耗的能量，称之为功率耗散协量，由j表示。功率的分配如下式所示：由表达式2，可得出功率的j分量和g分量的关系如下式所示：在表达式3中，m是材料的应变速率敏感系数，在一个恒定的温度和应变下，本构方程可
以表示为：表达式4为材料的动态本构方程，它代表的是材料在某一应变速率下的瞬间变形，将这些离散的材料单位经过的轨迹进行积分，积分的结果即为流变应力。由表达式2可得：将式表达式5带入表达式3，可得：在材料的热加工过程中，功率耗散协量j的变化会造成材料变形过程的变化，当材料处于理想耗散状态时，即m＝1时，此时的j达到最大值，如下式所示：在实际生产中，功率耗散协量不可能达到最大值，所以引入一个功率耗散效率参数η，η如下式所示：如公式表达式8所示，功率耗散效率的值是由应变速率敏感系数的值来确定的。
[0031]
采用parasad准则作为塑性失稳的判断准则，通常用它来描述材料在热加工过程中的失稳现象。可以用失稳因子ξ表示为：失稳因子ξ是一个无量纲的数。所体现的含义是在塑性变形的过程中，熵值变化小于应变率，材料将发生流动不稳定性，导致材料发生流变失稳。材料的失稳图就是以变形温度和应变速率为坐标轴，数值为ξ值的等高线图。由parasad准则判据ξ<0可以描绘出失稳区域。
[0032]
6、材料的热加工图就是由材料的功率耗散图和失稳图叠加而来的，通过构建材料的热加工图来对材料的热加工工艺进行优化，得到耗散率高的加工安全区和不利于加工的失稳区。通过分析材料的热加工图，能够反映材料在不同的温度以及应变速率下的组织演变的规律，为热加工过程材料的微观组织的变化提供依据。
[0033]
构建热加工图的具体步骤如下：(1)根据热压缩实验得到的真应力应变数据，如表1.1所示，分别求出应力和应变的对数，然后对应力应变的对数进行拟合，将计算结果带入式(表达式11)，求得m值。
[0034]
(2)将式(表达式11)得出的m值带入式(表达式8)，可得出η值。
[0035]
(3)在以变形温度和应变速率为坐标轴的平面上，利用origin软件绘制对应应变量下的η值的等高线图，即为功率耗散图。
[0036]
(4)由式(表达式11)得出的m值带入式(表达式9)，可得出ξ值。
[0037]
(5)再以变形温度和应变速率为坐标轴的平面上，利用origin软件绘制对应应变量下的ξ值的等高线图，即为材料失稳图。
[0038]
(6)将材料失稳图和功率耗散图叠加在一起，就构成了材料的热加工图。
[0039]
利用二次差值的方法求解m值，定义一个函数，如公式(表达式10)所示：对上式进行求导，如下所示：在公式(表达式11)中，a，b，c，d为常数，利用该式求出m值，进而求出η和ξ值。
[0040]
表1.1复合材料在不同应变下的流变应力值(mpa)7、图5表示0.5wt％gr-al复合材料在应变量为0.3，0.4，0.5时的功率耗散率。图中的等高线表示与材料的微观组织演变相关的熵变，图中的数字表示了0.5wt％gr-al复合材料在不同的变形温度，应变速率以及变形量下的功率耗散性的大小。因为功率耗散率的大小可以表示热变形中微观组织的变化，通过分析这些数字可以分析出加工变形中产生的特定的组织。
[0041]
8、通过热模拟压缩实验数据，将0.5wt％gr-al复合材料在不同应变量下的功率耗散图和失稳图叠加在一起，得到了0.5wt％gr-al复合材料在真应变为0.7时的dmm塑性加工图，如图6所示，左边为0.5wt％gr-al复合材料的二维热加工图，右边为0.5wt％gr-al复合材料的三维热加工图，表达了温度、应变速率和失稳因子之间的关系。等值线上的数字表示功率耗散系数，图中阴影区域为加工失稳区，在此范围的热变形条件下进行加工会产生流变失稳，因此要避免在此区域选择热加工参数。其他区域为加工安全区域，在此区域可避免加工缺陷。
[0042]
因此，本发明提出的0.5wt％gr-al复合材料，通过图6的0.5wt％复合材料的功率耗散图和失稳图叠加得到复合材料的热加工图，得到复合材料的加工安全区和失稳区，再结合图7不同热变形参数下0.5wt％gr-al复合材料的ebsd图及其晶界图以及图8各个热变形参数下的微观图分析，说明了高温、低速区域是0.5wt％gr-al复合材料的最佳加工区域，例如变形温度为440℃，应变速率为0.08s-1
时。
[0043]
尽管已经示出和描述了本发明专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均应涵盖在本发明的范围之内。