低碳合金钢高温本构方程及动态再结晶行为研究

利用Gleeble-3800热模拟机对典型低碳合金钢实施了变形温度900~1100℃,应变速率0.01、0.1、1.0和10 s~(-1),最大真应变为0.6的等温压缩模拟试验。通过对试验数据的回归分析,建立了应变为0.3的表观常数与物理常数Arrhenius型本构方程、动态再结晶动力学模型及运动学模型。结果表明:表观常数与物理常数Arrhenius型本构方程预测值与试验值的相关系数分别为0.9921和0.9879,平均相对误差值分别为3.6753%和5.4266%;临界应变与峰值应变之间存在关系:εc=0.4969εp;在变形温度900~1100℃,应变速率0.01 s~(-1)与变形温度1000~1100℃,应变速率0.1 s~(-1)试验条件下材料发生明显动态再结晶。     

采用改进和优化的Zerilli-Armstrong本构模型预测AZ80镁合金的高温流动应力EI北大核心CSCD

合理的本构模型是实现精确模拟镁合金挤压过程的关键,基于均匀化态AZ80镁合金在应变速率0.001~1 s^(-1)、变形温度523~673 K下的热压缩实验数据,建立了改进的Z-A模型来描述AZ80镁合金的热变形行为,并在此基础上,通过考虑应变对材料参数的影响,提出优化的Z-A模型。对两种模型预测精度进行定量分析表明:优化的Z-A模型对流动应力的预测效果较好,相关系数R和平均绝对相对误差E_(AR)的计算值分别为0.9962和3.60%;改进的Z-A模型的预测结果相对较差,其R值和EAR值分别为0.94和8%。比较分析表明,优化的Z-A模型具有良好的适应性,可以在整个应变范围内(0~0.9)很好地预测不同变形条件下的流动应力,因而工程适用范围广;改进的Z-A模型不能描述加工硬化-动态回复阶段的流动应力,因而预测精度较低。     

基于摩擦修正的TC6钛合金低应变速率变形本构模型建立

采用Thermecmastor-Z100kn热模拟试验机对TC6钛合金进行了低应变速率大变形热压缩试验,获得了变形温度范围为900～945℃、应变速率范围为0.0001～0.1 s^-1、变形程度为70%时的真应力-真应变曲线。分别使用传统摩擦修正模型与改进摩擦修正模型对真应力-真应变曲线进行修正,并建立了基于摩擦修正的应变补偿型Arrhenius模型。结果表明：改进摩擦修正模型能更好地表征材料在大变形状态下的真应力-真应变动态响应。经摩擦模型修正的应变补偿型Arrhenius模型相线性相关度较高,平均绝对误差较小,预测值精度较高。     

挤压态镁合金流变行为及本构模型研究

通过Gleeble热模拟机,在变形温度250~500℃、应变速率0.005~5 s-1下对挤压态镁合金进行热压缩实验,得到应力-应变曲线,基于加工硬化与软化机制,分析了温度和应变速率对流变曲线及峰值应力的影响。其次,考虑变形中温升,在高应变速率下采用温度补偿修正流变应力。最后,运用双曲正弦模型构建不同流变应力范围的本构模型,得到流变应力与温度、应变速率和应变的定量关系。将模型预测应力值与实验值进行对比。结果表明:实验值与预测值的相关性系数为0.984,平均相对误差绝对值为3.87%,说明所建立的本构模型能够准确预测成形过程中不同变形量下镁合金的流变应力值。     

基于修正Arrhenius模型和SVR-PSO模型的HNi55-7-4-2合金高温本构模型的对比

采用Gleeble-3500热模拟试验机对HNi55-7-4-2合金进行热压缩实验,研究其高温流变应力行为。通过等温热压缩实验和摩擦修正获得了HNi55-7-4-2合金在温度为600～800℃、应变速率为0.01～10 s~(-1)时的应力-应变曲线。结果表明:HNi55-7-4-2合金的流变应力值与温度、应变速率和变形量之间成非线性关系,流变应力值随着应变率增大而升高,随着变形温度的升高而降低。基于实验数据,分别建立修正Arrhenius本构模型和粒子群算法优化的支持向量机回归模型(SVR-PSO),引入统计学方法对模型的精度进行量化评估:修正Arrhenius模型的平均相对误差和均方根误差分别为6.30%和2.43 MPa,SVR-PSO模型的平均相对误差和均方根误差分别为0.61%和0.28 MPa,SVR-PSO模型预测精度和泛化能力均优于Arrhenius模型。     

喷射成形CPM9V高速钢流变本构模型的建立

采用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度970~1180℃和应变速率0.01~10 s~(-1)下对喷射成形CPM9V高速钢进行了热压缩变形行为研究。基于Arrhenius双曲正弦模型,建立了喷射成形CPM9V高速钢的本构方程,并对本构方程中材料参数进行了修正。通过修正的本构方程预测了喷射成形的CPM9V高速钢的流动应力。结果表明:在热变形过程中出现动态再结晶和动态回复,流变应力随应变速率增大而增大,随温度增大而减小。本构模型的预测值和试验值吻合较好,且相关系数R=0.9976,平均相对误差绝对值为3.157%。     

X12合金钢高温拉伸行为及Voce本构模型参数反求方法

为了研究X12合金钢的高温拉伸行为，在Gleeble-1500D热/力模拟试验机上进行了温度为900～1200℃、应变速率为0.01～5 s^-1的等温拉伸试验，分析了变形参数对该材料高温拉伸行为的影响规律。为了精确确定材料本构模型参数，提出了一种基于多岛遗传算法的反求优化方法。基于拉伸试验数据，采用提出的本构模型参数反求优化方法建立了X12合金钢Voce本构模型。结果表明，X12合金钢的高温拉伸行为呈现出典型的加工硬化和动态回复特性，其流动应力受到温度和应变速率的显著影响。模型预测值与试验值之间的相关系数、均方根误差以及相对误差分布的期望值和标准偏差分别为0.9933、6.36 MPa、0.3057和6.2998,说明采用反求优化方法得到的X12合金钢Voce本构模型能够准确地预测该材料的高温变形行为。     

超大型环形件用2219铝合金的热变形本构方程及热加工图

采用Gleeble-3500型热模拟机,分析了2219铝合金在变形温度为330～450℃,应变速率为10~(-2)～10 s~(-1),统一压缩变形量为60%的条件下的热变形行为,研究了应变速率和变形温度对流变应力的影响,建立了超大型环形件用2219铝合金热变形时的本构方程和热加工图。结果表明:2219铝合金的流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低;基于应变-应变速率补偿模型建立的本构方程可以更好地预测其流变行为,实验值与预测值的相对误差的标准偏差为6. 7%,最大相对误差绝对值为18. 7%;确定了热加工最佳工艺参数区间:应变速率为10~(-2)～1. 2×10~(-2)s~(-1),变形温度为400～430℃。     

基于物理及元建模法的TB15钛合金本构模型研究

采用Gleeble-3800热模拟机对TB15钛合金进行等温恒应变速率热压缩试验,研究其在变形温度为810～930℃、应变速率为0.001～10s-1和高度压下量为60%条件下的热变形行为;建立了物理、支持向量回归(SVR)和响应面三种本构关系模型来预测TB15钛合金的流动应力,同时对比了三种本构模型的预测精度。结果表明:TB15钛合金的流动应力随应变速率的降低和变形温度的升高而减小,峰值应力的变化对应变速率的敏感性更高;物理本构模型、SVR本构模型和响应面本构模型相关系数R均大于0.98,但是响应面本构模型的R值达到了0.993,而且响应面本构模型的相对误差在±5%范围内的预测值频率达到了67.9%,大于物理本构模型的58.6%。同时经过方差分析得到所构建的响应面本构模型的显著性检验值P<0.0001,表明响应面本构模型预测的流动应力与变形温度、应变速率和应变之间的回归关系显著,比物理本构模型和SVR本构模型有更高的精度,能够更好的预测TB15钛合金的流动应力。     

热压烧结Zr-6Al-0.1B合金Johnson-Cook本构模型的建立与精度分析

锆铝合金是一种潜在的航天空间材料，采用真空热压烧结制备了Zr-6Al-0.1B合金，采用Gleeble-3500热模拟试验机对热压烧结Zr-6Al-0.1B合金在变形温度950 ℃～1150 ℃、应变速率0.01 s-1～1 s-1的试验条件下进行等温压缩试验。结果表明，在变形初期，应力随应变在增加急速升高，迅速达到峰值。而后，随着应变的增加应力持续减小，而不存在应力平衡阶段。随着变形温度的降低或应变速率的增加，应力-应变曲线整体向高应力区域偏移，表明热压烧结Zr-6Al-0.1B合金属于变形温度和应变速率敏感材料。构建了热压烧结Zr-6Al-0.1B合金的Johnson-Cook本构模型，对温度敏感系数D和应变速率敏感系数C进行了修正。通过模型预测值与试验值的定性和定量对比分析表明，单独修正系数C时，模型具有较高的预测精度。本研究可为热压烧结Zr-6Al-0.1B合金后续热加工工艺参数的选择提供指导，并为相应的数值模拟研究提供可靠的本构模型。     

基于应变补偿TC4-DT钛合金高温变形本构模型

通过TC4-DT钛合金在1181~1341 K,0.01~10 s~(-1)条件下热模拟压缩试验,得到其在不同条件下高温变形真应力-真应变曲线。采用回归分析和多项式拟合建立了应变补偿高温变形本构方程。结果表明:各变形条件下的流变应力曲线均呈现应变硬化和流动软化,低温高应变速率特征更明显。当应变速率低于1 s~(-1)时,预测值与实验值吻合程度较高,相关系数和平均相对误差绝对值分别为0.9952和5.78%,此修正模型可作为TC4-DT钛合金高温变形本构方程。     

Zr-4合金热变形行为及物理本构模型

利用Gleeble-3500型热模拟试验机对Zr-4合金试样进行等温恒应变速率压缩实验,对其热变形行为进行分析,综合考虑变形温度对Young’s模量和自扩散系数的影响,建立了Zr-4合金基于应变耦合的物理本构模型。研究结果表明:合金的峰值应力对变形温度和应变速率敏感,峰值应力会随应变速率的增加或变形温度的降低而增大;基于应变耦合构建的物理本构模型能够较好地预测合金在热变形过程中的流变应力,其相关系数R为0.986,预测值偏差在10%以内的数据点占93.2%,平均相对误差为6.3%。     

纳米SiCp/Al复合材料的热变形行为

在Gleeble-1500D热模拟机上对纳米SiCp/Al复合材料试样进行了单向热压缩试验,研究其在变形温度为460～520℃、应变速率为0.1～5 s~(-1)条件下的高温变形行为。根据实验数据绘制出纳米SiCp/Al复合材料的真应力-真应变曲线,利用双曲正弦函数模型构建纳米SiCp/Al复合材料的应变补偿本构方程,并通过误差分析对该应变补偿本构方程的准确性进行验证。结果表明:纳米SiCp/Al复合材料的流变应力曲线均呈现出先升高至峰值随后缓慢下降的趋势,流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小;在本文试验条件下纳米SiCp/Al热变形激活能的平均值为278.79 kJ/mol;通过应变补偿本构方程得到的流变应力预测值与试验值的线性相关系数为0.991,平均相对误差为2.05%。     

铸态316 LN钢基于应变补偿的本构模型

采用Gleeble-1500D热模拟实验机,对铸态316LN不锈钢进行了高温压缩实验,根据铸态316LN不锈钢在变形温度为900～1200℃、应变速率为0. 001～1 s~(-1)、变形量为55%下的高温压缩实验结果可知,该材料的流动应力受变形温度、应变速率和应变的共同影响。因此,在传统Arrhenius本构模型基础上,引入了应变对流动应力的影响。通过五阶多项式描述了应变与材料参数的关系,建立了基于应变补偿法的铸态316LN不锈钢的本构模型。通过引入相关系数R、平均相对误差AARE,对该模型进行了评估,对比该模型的预测值与实验值的结果后得出,R值为0. 995,AARE值仅为4. 48%,证明了采用修正后的模型预测该类材料的流动应力具有较高的精度。     

17CrNiMo6钢的静态再结晶行为

采用Gleeble-1500热模拟试验机,在压缩温度为950~1050 ℃(间隔50 ℃)、预应变为0.1~0.2(间隔0.05)、应变速率为0.01~1 s^-1、不同原始晶粒尺寸和道次间隔时间条件下,对17CrNiMo6钢进行双道次热压缩试验。讨论了道次间隔时间、压缩温度、预应变、应变速率和原始晶粒尺寸对17CrNiMo6钢静态再结晶行为的影响。根据回归分析得到静态再结晶在不同变形条件下的流变应力曲线,结合压缩后试样的显微组织,建立了17CrNiMo6钢静态再结晶动力学模型和晶粒尺寸模型。结果表明,17CrNiMo6钢静态再结晶体积分数随压缩温度、间隔时间、预应变和应变速率增加而增大;静态再结晶晶粒尺寸随压缩温度和原始奥氏体晶粒尺寸增加而增大,随预应变和应变速率的增加而减小。通过对比所建模型的预测值与热压缩所得的试验值,发现二者较为吻合,验证了模型的准确性。     

基于Arrhenius模型和修正Johnson-Cook模型的TC21钛合金流动应力预测

使用Gleeble-3500热模拟试验机对TC21钛合金在温度为890～990℃、应变速率为0.01～10 s^-1下进行了热模拟压缩实验，研究了该合金的高温流变行为。在变形条件下，该合金的流变应力随应变的增大逐渐增加，在达到峰值后又逐渐减小。基于实验数据，分别采用Arrhenius模型和修正Johnson-Cook模型构建了TC21钛合金本构模型，并对这两个模型的预测精度进行了分析对比。结果表明，修正Johnson-Cook本构模型预测值的平均绝对相对误差e_AARE为7.2078%,相关系数r为0.96866;Arrhenius本构模型预测值的e_AARE为12.6699%,r为0.95794,修正Johnson-Cook本构模型的精度高于Arrhenius本构模型，且在整个参数范围内具有一定的精度，可以较好地描述TC21钛合金的高温流变行为。     

AZ80镁合金流变应力预测及动态再结晶动力学

采用Gleeble-1500对AZ80镁合金进行热压缩实验,研究其在变形温度为573K~723K、应变速率为0.001s~(-1)~1s~(-1)条件下的高温变形特性及动态再结晶行为。根据真实应力-应变曲线,建立了考虑应变影响的双曲正弦本构模型,模型计算的应力值与实验值相对误差为2.52%。利用未再结晶区的真实应力-应变曲线,建立了AZ80镁合金的动态再结晶动力学模型。     

SP700钛合金高温流动行为及本构关系

在700～950℃的变形温度、0.001～1s-1的应变速率条件下,采用Gleeble-3800型热模拟试验机对SP700钛合金进行等温恒应变速率压缩试验,研究其高温流动行为,并构建了基于应变补偿的Zener-Hollomon参数本构关系模型和多元线性回归本构关系模型.结果表明:SP700钛合金的流动应力曲线会随变形温度的升高和应变速率的降低而下移,且在高温及低应变速率下,流动应力会呈现出明显的稳态流动特征.对两种本构关系模型进行误差计算表明,基于应变补偿的Zener-Hollomon参数本构关系模型在700～950 ℃预测值相关系数和平均相对误差分别为0.978和14.29％;而另一种多元线性回归本构关系模型在700～800 ℃和800～950℃预测值相关系数和平均相对误差分别为0.994、5.54％和0.999、2.51％.     

3Cr20Ni10W2耐热合金钢高温塑性变形本构描述

通过等温热压缩试验获得了挤压态3Cr20Ni10W2耐热合金高温热塑性变形的真应力-应变曲线。结合Arrhenius双曲正弦本构方程,通过线性回归分析求解得到不同变形条件下本构模型中的热变形激活能Q,材料常数n、α及A,从而构建了用于表征3Cr20Ni10W2耐热合金流变应力与应变量、温度、应变速率之间内在关系的本构方程。流变应力的预测值与试验值较吻合,而且预测的最大相对误差为7.99%,相关系数为0.995。     

45Cr4NiMoV合金钢热变形的本构模型

在Gleebles-1500热模拟试验机上,研究了45Cr4NiMoV合金钢在变形温度为800~1150℃、应变速率为0.002~5 s-1、最大变形量为60%条件下的热变形行为。采用Zener-Hollomon参数法来构建合金的本构模型。通过真应力-应变曲线,发现45Cr4NiMoV合金钢在热压缩变形过程中发生了动态再结晶,分析了温度、应变速率对动态再结晶的影响,并通过金相试验得到了验证。误差分析表明,所建立的本构模型能较好地反映出其高温流变特性。