内切轧制的有限元分析及其对高温超导带材性能的影响

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1、摘要本论文对粉末套管(PIT)法制备高温超导铋系(Bi2223)带材的加工形变工艺，首次提出一种全新的技术方案一内切轧制。应用弹塑性有限元方法对内切轧制形变过程进行了数值模拟，分析了形变区域内带材轧件的应力场、应变场、以及压力场等计算结果，证实内切轧制具有利于Bi2223带材形变要求的特征；并直接采用Bi2223／Ag多芯带材进行内切轧制加工实验，通过SEM、XRD、宏观形变测试、以及超导电流传输性能测试等方法，研究了内切轧制形变特征对带材的相组成、显微结构和超导性能的影响规律。最后通过和传统轧制、平面压制加工工艺进行对比试验，考察了内切轧制对提高带材性能的影响。本文首先采用内切轧制新概

2、念，构造了原理模型，采用有限元方法对薄带类轧件的内切轧制过程进行了数值模拟研究。数值分析表明：10％压下量时，内切轧制带材的纵向接触长度已经接近带材宽度(3～4mm)，且随压下量增加继续延长，这是带材单元形变方式由传统轧制向平面压制转变的主要因素：接触长度的增加，使得带材在10％压下量的内切形变即可在横方向上产生明显的形变；且这一宽展随着压下量的增加而很快增加。应力场分析表明，带材内强应力集中区域仍然分布在带材中心地带，但是沿纵向分布区域较大，并随着压下量增加而继续扩大。应力场等值线分布表明，沿带材纵向分布的应力梯度变化较缓，即应力分布比较均匀。轧件的接触表面分析表明，内外轧辊几何半径和

3、位置的不同，形成了轧件上下接触表面内不同的接触应力分布，并导致了轧件上下表面的不均匀形变。内切轧制中分布较为均匀的应力和明显的宽展，是减少超导带材中横向裂纹产生的有利因素，就有可能改善带材的纵向电流传输性能。本文随后进行内切轧制形变实验，研究表明：不同压下量、单道次的中间内切轧制中，由于带材的形变属于典型的两向延伸、一向压缩形变，因此其宽展延伸十分明显，且随压下量增加而迅速增加；不同压下量的改变对带材相组成没有明显影响，对Bi2223相含量和织构度的影响也不显著：带材SEM微观组织结构观察证实了压下量的增加可以使带材致密性增强，从而提高带材的电流传输性能；但压下量的继续增加，电流传输性能

4、的提高会由于银超界面平整性的恶化丽受到抑制。相同压下量、多道次形变实验研究表明，内切轧制超导带材的相组成与传统轧制相比也无明显变化，带材内Bi2223相含量和织构度均有提高：微观组织结构观察表明，内切轧制具有更平整的带材界面结构和更致密化的组织，这种界面平整性在合适的道次压下量时可以保持而不恶化；电流传输性能测试表明，带材的电流传输性能明显提高。本文最后对不同加工方法进行对比实验，结果表明：内切轧制带材的宽展形变接近于平面压制带材，明显大于传统轧制带材；证实内切轧制形变方式为典型的两向延伸形变方式，这种形变方式的变化会影响带材内裂纹的产生类型和分布。不同加工方法对超导带材的相组成没有影响

5、，内切轧制和多次形变一定程度上可以提高带材内Bi2223相的含量。对Bi2223相的织构度分析表明，内切轧制和传统轧制方式对提高织构度的影响作用相似，优于压制工艺；对带材进行多次形变也有利于提高织构度。SEM组织结构分析表明，内切轧制试样具有更平整的银超界面；同时其带材内超导芯的致密度也明显高于传统轧制试样，接近于压制试样。不同工艺下得到的一II．短样进行超导电流传输性能的测试表明，内切轧制试样性能明显高于传统轧制试样，略低于压制试样。本文讨论的全新内切轧制工艺是一种带材连续加工技术，可以开发应用于PIT法制备高温超导长带，能显著提高带材的超导电流传输性能。另外，对于具有类似特性的陶瓷／

6、金属复合材料，内切轧制形变方式也会有一定的参考价值。关键词：内切轧制，高温超导，有限元，Bi2223系一III．ABSTRACTInthisdissertation，anewrollingtechnique，namedinscribedrolling(IR)，isfirstdesignedfordeformingthehightemperaturesuperconductingBi2223tapeinPITmethod．Theelasto—plasticfiniteelementmethod(FEM)isappliedforsimulatingtheIRprocess．Bytheanal

7、ysesofstressfield，strainfieldandpressurefieldetc．，someadvantageouscharacteristicsinIRprocessareinvestigatedforapplyingtomanufacturetheBi2223tape．Afterthesimulation，theIRprocessisusedtomakethemulti—filamentaryBi2223／Agt