7075-T6铝合金动态力学试验及本构模型研究

分别采用电子万能试验机、高速液压伺服试验机和分离式霍普金森拉杆(SHTB)装置进行了7075-T6铝合金材料在室温下的准静态、中应变率和高应变率动态力学性能试验。获得了该材料不同应变率下的应力-应变曲线,结果显示:7075-T6铝合金具有明显的应变率强化效应;随着应变率的提高,试件断口处颈缩现象越发明显。拟合出了能够反映材料应变硬化效应、应变率强化效应的Johnson-Cook本构方程,对方程中的应变率强化项进行了修正,使拟合结果与试验结果吻合得更好。     

6013-T4铝合金不同温度下的动态流变应力及组织演变

采用分离式霍普金森(SHPB)压杆装置进行6013-T4铝合金动态压缩试验,获得温度为25℃、100℃、200℃、300℃、400℃,应变速率为1 000s~(-1)、2 000s~(-1)、3 000s~(-1)、4 000s~(-1)、5 000s~(-1)条件下材料的真应力-真应变曲线,并通过透射电子显微镜(TEM)观测了6013-T4铝合金在不同变形条件下的组织演变。结果表明:6013铝合金有明显的温度敏感性,但是对应变速率的敏感性较弱。应变速率和温度对6013铝合金微观组织的影响显著,位错密度随应变速率的升高而增大,随温度的升高而减小。基于实验数据,求得了6013铝合金Johnson-Cook模型的本构参数并建立其本构模型。与实验结果进行对比,结果表明,所建立的本构模型能够很好地预测6013铝合金的流变应力。     

2024-T42铝合金低中应变率力学性能及本构关系

为研究2024-T42铝合金的低中应变率力学性能和本构关系,采用电子万能实验机和高速液压伺服材料实验机,进行常温下2024-T42铝合金准静态、低中应变率拉伸实验,得到材料在不同应变率下的应力-应变曲线。考虑颈缩对真实应力-真实应变的影响,采用仿真反演方法对颈缩后的真实应力-真实应变曲线进行修正,并基于Johnson-Cook本构模型进行拟合。结果表明:2024-T42铝合金在低中应变率范围的率敏感性较弱;但具有较强的应变硬化效应;基于仿真分析的反演修正方法能较好重构材料颈缩点后的真实应力-真实应变曲线;并通过铝管压溃实验和仿真分析,验证了反演修正方法的合理性和所获本构模型参数的准确性。     

挤压态6013-T4铝合金在动态冲击载荷下的变形行为及其微观机理

使用霍普金森压杆试验装置进行挤压态6013-T4铝合金的室温动态压缩实验,应变速率为1×10³~3×10³ s^-1。结果表明,6013-T4铝合金在动态压缩过程中表现出明显的应变硬化和正应变速率敏感性;随着应变和应变速率的提高位错密度增大,在高应变速率和大应变量变形后试样的位错塞积显著。在相同的变形条件下0°方向试样的应力总是最高,而45°方向试样的应力最低。挤压态6013-T4合金的主要织构类型为{112}<111>和{110}<111>。对于{112}<111>织构,0°、45°和90°方向的最大施密特因子分别为0.27、0.49和0.41。对于{110}<111>织构,最大施密特因子分别为0.27、0.43和0.41。0°方向的施密特因子最小,使该方向的应力水平较高。在相同的应变速率和应变量条件下动态压缩变形时,0°方向试样的位错密度更高。在冲击件的材料选择和结构设计中有必要考虑材料的应变速率敏感性、力学性能各向异性以及微观组织的演变。     

2024-T3铝合金动力学实验及其平板鸟撞动态响应分析

通过电子万能试验机和分离式霍普金森拉杆（SHTB）拉伸试验分别获得2024-T3铝合金材料准静态和高应变率两种应变率下的应力-应变曲线。铝合金材料的本构关系由能够反映材料硬化效应和应变率强化效应的Johnson-Cook材料模型描述,方程中的4个参数通过不同应变率下的应力-应变曲线拟合得到。基于瞬态动力学软件PAM-CRASH,结合材料动态力学性能试验所获得的2024-T3铝合金Johnson-Cook模型方程,耦合光滑粒子流体动力学（SPH）方法和有限元（FE）方法建立2024-T3铝合金平板的鸟撞数值模型,数值计算所得动态响应与鸟撞试验结果吻合较好,表明建立的鸟撞数值计算模型是合理、可靠的,整个分析流程从材料动态力学性能试验、鸟撞数值计算到最终的鸟撞试验验证为飞机结构的抗鸟撞设计与分析提供了有力的参考。     

2024-T3铝合金的动态断裂韧性

目的实现2024-T3铝合金动态断裂韧性的测量,揭示加载速率对动态断裂韧性的影响机理。方法采用屏蔽措施避免电磁干扰,测量2024-T3铝合金在不同加载速率下的动态断裂韧性,采用扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌,理论分析加载速率对动态断裂韧性的影响机理。结果当加载速率小于103MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,2024-T3铝合金的动态断裂韧性约为35 MPa·m~(1/2);当加载速率高于105 MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,动态断裂韧性超过40 MPa·m~(1/2),且随加载速率的增加而不断增大至101 MPa·m~(1/2)。断口分析表明,加载速率较低时,断口形貌为微孔聚集型;当加载速率超过105 MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,断口特征由延性韧窝向准解理形态转变。理论分析表明,上述现象主要是由于裂纹尖端的无位错区域尺寸随加载速率的增大而减小,位错对裂纹尖端应力场的屏蔽效应增大,从而导致裂纹起裂后迅速由韧窝状态向准解理状态转变。结论电磁屏蔽后的电阻应变片法,能够准确测量电磁环境下2024-T3铝合金的动态断裂韧性,且动态断裂韧性表现出明显的应变率敏感性;2024-T3铝合金的微观断裂机制在准静态下为微孔聚集型,加载速率超过105MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,材料的断裂表现为由延性韧窝形态向准解理形态转变。     

挤压-固溶态7A43铝合金的室温压缩微观组织及变形行为

采用Gleeble-3500试验机对挤压-固溶态7A43铝合金(Al-6.0Zn-2.1Mg-0.15Cu-0.15Zr,质量分数/%)进行应变速率为0.001～1 s^-1、变形量为50%的室温压缩变形,并借助扫描电子显微镜(SEM)、背散射电子显微分析(EBSD)以及X射线分析(XRD)等手段对变形微观组织进行表征。结果表明,随着变形速率的提高,整体晶粒尺寸因畸变程度增加而减小的同时,合金内部晶格应变和位错密度逐渐增大。高应变速率条件下微观组织中的亚结构组分增加,粗大纤维组织被细小的等轴晶粒取代。测得的应力-应变曲线表明,累积应变量和应变速率对流变应力水平具有较大影响,基于得到的实验数据构建了Fields-Backofen (F-B)本构方程,预测值和实验值之间的相关系数(R)和平均绝对相对误差(AARE)分别为0.991069和3.667%,表明所建立的模型较准确地描述了7A43铝合金室温变形流变行为。     

车用轻量化铝合金材料本构关系研究进展

综述了车用轻量化铝合金材料塑性流变行为的建模。随着成形技术与设备的进步,铝合金的成形方式已不再局限于传统的冷成形,热成形与高速成形的新工艺不断涌现,对本构模型的准确性要求也不断提高。由此,高温下材料的本构关系已成为研究的热点,并进一步将微观组织结构的演变包括位错运动和损伤演化等耦合到本构模型中,提高了本构模型的准确性。这些模型被证明能够较好地描述材料的塑性流变行为。     

潮湿空气环境下2024-T351铝合金的缺口疲劳强度

采用预腐蚀2024-T351铝合金光滑和缺口试样,在潮湿空气环境下开展了两种应力比(R=-1和0.06)下的腐蚀疲劳试验,获得了相应的S-N曲线。通过光滑与缺口试样的疲劳强度比较,研究了潮湿空气环境下材料的缺口疲劳效应,并进一步获得了不同应力比下疲劳缺口因子(Kf)与疲劳寿命(Nf)之间的实验关系式。结合实测Kf值,对目前工程中的代表性缺口疲劳因子近似估算公式(Neuber公式、Peterson公式、Heywood公式)在腐蚀环境与一定平均应力下的适用性进行了初步检验。     

2024 铝合金板材高温拉伸流变行为和微观组织演化研究

目的研究高温拉伸应力状态下,2024铝合金板材的流变行为和微观组织演化行为。方法对退火后的2024铝合金板进行等温拉伸试验,得到其应力应变曲线,并通过金相实验测定平均晶粒尺寸。建立了2024铝合金板材高温拉伸条件下的流变应力本构关系和晶粒尺寸模型。结果流变应力随温度的升高而减小。流变应力对应变速率有正的敏感性,随着温度的升高,应变速率敏感系数变大。变形后的平均晶粒尺寸随Zener-Hollomon参数升高而减小,随应变量的增加先减小后增大。结论所建立的流变应力本构关系和晶粒尺寸模型,有助于在实际生产过程中优化工艺参数,获得细小晶粒,提高零件性能。该研究为2024铝合金板材热成形工艺的开发和组织控制奠定了理论基础。     

ZL205A铝合金动态力学性能及其本构模型

目的 研究ZL205A铝合金在不同温度和不同应变速率下的流动应力行为,为材料数值模拟提供参数依据。方法 利用高低温电子万能材料实验机和霍普金森压杆设备,在不同变形温度(20~400 ℃)和应变速率(10⁻⁴~2 200 s⁻¹)下进行准静态拉伸实验、高温拉伸实验以及高应变率动态压缩实验。对实验所得真应力-应变曲线进行力学性能分析,考虑到霍普金森实验下的材料绝热温升,构建了ZL205A铝合金的Johnson-Cook本构模型,并将该模型与实验数据进行比对验证。结果 在室温低应变率(20 ℃、10⁻⁴~10⁻¹ s⁻¹)条件下,随应变率的增大,材料的流动应力变化不明显;当材料屈服后,随着应变的增大,材料流动应力增大的趋势变大,应变硬化作用占主导。在室温高应变率(20 ℃、500~2 200 s⁻¹)条件下,材料的屈服强度和流动应力与室温低应变率时的数据变化不大,考虑到高应变率下的实验时间短、变形大,材料变形产生的热量来不及散出,受温度升高的影响,材料在高应变率范围内的应变率强化效应不明显。在高温低应变率(100~400 ℃/0.001 s⁻¹)条件下,材料的屈服强度和流动应力随温度的升高而迅速降低,表现出较高的温度敏感性,当温度高于200 ℃时,材料产生拉应力回调现象。结论 根据材料真应力-应变曲线,获得了材料的Johnson-Cook本构参数,该模型能较准确地预测材料在不同状态下的流动应力行为。     

大尺寸2024-T351铝合金喷丸成形曲率变化规律研究

目的 以喷丸成形工艺下的2024-T351铝合金平板件和单筋件为研究对象,分析弦向及展向曲率半径试验值与拟合值的变形规律。方法 针对试件厚度、喷丸压力、喷丸速度、预弯量4个参数进行喷丸成形操作的正交试验,通过测量成形后曲率的变化规律,分析不同参数组合对平板件和单筋件成形变化规律的影响。结果 在不考虑材料性能波动的情况下,随着平板件厚度和喷丸速度的增大,平板试件的弦向曲率半径和展向曲率半径均呈递增趋势;而随着喷丸压力的增大,平板试件的弦向曲率半径和展向曲率半径则呈现递减趋势,即当平板件厚度和喷丸速度增大时,喷丸成形对平板试件弯曲的影响程度有所增大,曲率半径减小;反之,喷丸成形对平板试验件弯曲的影响程度减小,曲率半径增大。结论 在忽略初始状态并将其假设为自由状态或给定预弯量状态的条件下,随着喷丸速度的增大,单筋试件的曲率半径递增,试验值与拟合值的变化趋势基本相符,二者最大偏差为11.2%。     

定量研究2024-T351铝合金搅拌摩擦焊过程中的时效相行为

采用差示扫描量热法研究了2024-T351铝合金搅拌摩擦焊接过程中时效相回溶或粗化的相对值,给出了一种定量研究搅拌摩擦焊接过程中时效相行为的方法.结果表明:相对于母材,焊缝不同区域时效相的回溶或粗化值可通过公式f=Sx/SBM-1来计算;当搅拌摩擦焊搅拌头转速为700r·min-1,焊接速度为200mm·min-1时,...     

3003铝合金蠕变行为与本构方程

研究了3003铝合金冷轧变形后再结晶组织控制和175~250℃、外加应力25~50 MPa条件下3003铝合金的蠕变行为。采用弹性模量归一化应力幂律蠕变本构方程,对实验数据进行线性拟合,建立了能够较好描述稳态蠕变速率与应力、温度三者之间关系的本构方程。结果表明:采用350℃和600℃的两步再结晶退火,可获得有利于提高合金蠕变性能的长条状再结晶组织;温度越高,应力增加对稳态蠕变速率增加的贡献越大;不同温度下3003铝合金的蠕变机制不同,175℃时,应力指数n=3.5,蠕变主要由位错滑移控制;在200~250℃范围内,n处于5.1~8.6之间,蠕变主要由位错攀移控制。     

时效工艺对6061铝合金力学性能各向异性的影响及微观组织研究

采用单向拉伸试验研究了经不同时效工艺处理的6061铝合金轧制板材在轧制方向(0°)、倾斜方向(45°)和横向(90°)的力学性能各向异性.实验结果表明,轧制态6061铝合金的力学性能与热处理工艺密切相关,且表现出明显的各向异性.其中T6态6061铝合金力学性能各向异性最不明显.轧制态6061-T6铝合金有较强的立方织构{001}〈100〉和较弱的织构成分{001}〈100〉,目前采用的人工时效方法对其晶粒的显微组织和织构演化的影响不大.相对于经其他工艺处理的轧制态6061铝合金,经240℃高温时效处理的轧制态6061-T6铝合金位错密度大,且分布更均匀.轧制态6061-T6铝合金中明显的高密度β″析出物是其具备最高强度和最低各向异性的主要原因.     

42CrMoA钢热变形过程动态再结晶行为

目的 通过Deform-3D软件模拟42CrMoA钢的热压缩过程,研究在压缩量为60%、变形温度为950~ 1 100 ℃和应变速率为0.01~10 s⁻¹条件下42CrMoA钢再结晶模型的可靠性。方法 将热压缩试样沿轴线对半分开,以试样中心和边部位置作为金相观察区,分析42CrMoA钢的热变形行为,将计算得到的动态再结晶临界模型输入Deform-3D软件的前处理模块中,模拟过程的变形参数与实验过程的相同,通过在模拟试样的心部和边部位置进行点追踪,实现模拟结果和实验结果中组织的对比分析。结果 在压缩过程中42CrMoA钢真应力的变化受加工硬化和动态软化协同作用影响。随着温度的升高,试样心部和边部的再结晶体积分数均有所上升,且试样心部动态再结晶体积分数大于边部的。模拟结果显示,当温度由1 000 ℃升高至1 100 ℃时,试样心部动态再结晶体积分数由75.6%升高至89.5%,在相同条件下,通过金相观察到试样心部的动态再结晶体积分数由73.2%升高至85.3%。结论 基于Johnson-Mehl-Avrami模型改进的Yada再结晶模型可以较好地描述42CrMoA钢的动态再结晶过程,实验结果与模拟结果间的相对误差小于8.35%,验证了动态再结晶模型的准确性。     

7A04铝合金动态再结晶的临界应变研究

通过Gleeble热力模拟获得了7A04铝合金恒温和恒应变速率条件下的压缩应力-应变曲线,温度范围和应变速率范围分别为350～450℃和0.01～10s-1。在峰值应力的双曲正弦模型基础上,测定了7A04铝合金热变形激活能Q;并利用加工硬化率θ和Sellars模型结构,自主建立了7A04铝合金动态再结晶的临界应变本构模型。结果表明:由动态再结晶临界应变本构模型得到的结果与Gleeble热力模拟实验结果基本吻合,该本构模型可较准确地预测7A04铝合金热成形过程中的动态再结晶发生的临界点。     

铝合金板料电磁成形工艺与理论的研究进展

将电磁成形与现有板料成形工艺相结合,能够有效拓宽电磁成形应用领域,可为汽车、航空、航天等高端装备中铝合金零件高性能精确成形带来新的突破.主要综述了电磁复合成形工艺、多物理场耦合数值模拟与本构建模、铝合金板料电磁成形性能与组织演变等3个方面的研究进展,并结合笔者的研究工作对电磁成形工艺与理论研究中存在的问题进行了简要分析...     

TC2钛合金的动态力学特征及其本构模型

使用电子万能试验机和分离式Hopkinson压杆分别测量TC2钛合金的准静态和动态应变下的应力-应变曲线,并结合显微组织的变化研究了高应变率下的动态流动应力特征.结果 表明:应变率为1100-6000 s-1时TC2钛合金具有一定的应变率敏感性,随着应变率的提高显示出明显的应变率增强和增塑效应,但是应变率超过4800 ...     

聚脲材料动态压缩力学行为的数值模拟研究

以聚脲材料动态压缩力学特性为研究对象,提出了考虑动态弹性模量、动态强度因子和动态切线模量的简化三直线弹塑性本构模型;基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立了低、中、高不同应变率下聚脲材料压缩有限元模型,并与实验结果进行对比分析。结果表明：动态弹性模量增大因子、动态强度因子和动态切线模量因子随应变率增加而有规律的增大,均和应变率的对数呈双线性关系。在中低应变率下,三者的线性关系斜率都比较平缓;在高应变率下,三者的线性关系斜率都比较陡,且弹性模量动态增大因子的斜率比动态强度因子的更大,而第二阶段动态切线模量因子的斜率与动态强度因子的基本一致,但第三阶段动态切线模量因子的斜率是动态强度因子的2.3倍左右,说明高应变率下聚脲材料的后期应力强化效应更加显著。聚脲材料的简化三直线弹塑性本构模型可以在ANSYS/LS-DYNA有限元软件中较好地实现。该文建立的有限元模型能较为准确地模拟聚脲材料压缩实验,进一步验证了简化弹塑性本构模型在不同应变率压缩加载下的有效性。该研究可以为聚脲涂覆加固防护结构有限元模型提供材料模型参数依据。