Ti-6Al-4V动态力学性能与本构关系研究

采用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对钛合金(Ti-6Al-4V)进行动态压缩试验，获得不同温度和应变率的真实应力—应变曲线，分析了钛合金在应变率2000/s～10000/s、温度20℃～800℃范围内的动态力学性能，通过试验数据拟合得到Johnson-Cook(J-C)本构方程。试验研究结果表明，常温(20℃)条件下Ti-6Al-4V具有明显的应变和应变率强化效应，同时应变和应变率强化效应逐渐减弱，800℃时几乎没有应变和应变率强化效应；随着温度的提高，不同应变率的应力均近似线性下降，表现出明显的热软化效应；在应变硬化和热软化耦合作用下，试样剪切区产生绝热剪切破坏；所得的J-C本构模型较好地拟合了真实应力应变值及变化趋势。     

Anand模型预测63Sn37Pb焊锡钎料的应力应变行为

通过在温度313K～398K、应变率10^-3％／s～10％／s内的一系列恒应变率拉伸实验，研究63Sn37Pb焊锡钎料的力学行为，发现该材料的应力应变关系与温度和应变率有很大的相关性。采用统一型Anand粘塑性本构方程对该材料在较大温度和应变率范围内的应力应变行为进行数值模拟。结果表明Anand粘塑性方程可以有效地描述63Sn37Pb焊锡钎料在10％应变下的温度和应变率相关粘塑性本构行为。     

预塑性应变对纳米压痕硬度尺寸效应的影响

试验研究了不同预塑性应变条件下纯铁纳米压痕硬度的尺寸效应,发现统计存储位错对应的硬度HM0随预塑性应变的变化与材料拉伸应力－应变曲线有很好的对应关系。纯铁预拉伸应变为0～10%时,透射电镜表明样品内位错组态呈等轴状位错胞。随应变的增加,位错密度急剧增加,导致拉伸应力从150 Mpa快速增至320 Mpa,统计存储位错对应的硬度HM0从1.13 Gpa迅速增至2.05 Gpa。然而,随着应变的进一步增加,纯铁样品内位错组态转变为细条状的变形胞,对应的拉伸应力和硬度HM0增长缓慢。研究有助于揭示纳米压痕硬度尺寸效应的起源。     

细晶T2纯铜动态力学性能及本构模型

晶粒大小是影响多晶金属材料力学性能的重要因素之一,研究细晶T2纯铜在高温、高应变率下的动态力学性能并建立其本构模型对切削加工有着重要意义。通过电子力能测试仪进行T2纯铜试样准静态压缩试验,并利用霍普金森压杆装置完成了不同应变率和不同温度的动态压缩试验。试验结果表明,纯铜材料具有明显的应变强化效应和温度软化效应,其动态压缩下的强度高于准静态压缩,但在高应变率区域内,并无明显的应变率强化效应。基于Johnson-Cook本构模型得到了细晶T2纯铜本构方程参数,拟合曲线与试验结果吻合较好。     

IC10合金的高温拉伸性能

利用力学测试与模拟试验机测得了IC10合金在很宽的温度范围(25～900℃)和不同应变速率(10-5～10-2S-1)下的应力一应变曲线,对曲线进行了分析;用扫描电子显微镜对试样的断口进行了分析.结果表明:室温下IC10合金的流变应力对应变速率不太敏感,而在900℃下对应变速率非常敏感;比较各温度下材料的屈服强度可以发现,当温度低于(含)800℃时,IC10合金的力学性能与室温下相当,而在更高的温度(900℃)下力学性能有所下降;在低于(含)800℃时断口主要以穿晶断裂为主,在900℃下主要为韧窝聚集型断裂,随着温度的增加,断口上韧窝更大、更深、更多.     

H13淬硬钢高应变速率动态性能的实验与本构方程研究

采用西北工业大学固体力学实验室研制的SHPB(split Hopkinson pressure bar)动态实验装置,测试了H13钢在20～600℃,应变率为103～104s-1的流变应力和应变的关系,实验结果表明,应变速率和变形温度的变化强烈地影响H13钢的流变应力,流变应力随变形温度升高而降低,随应变速率提高而增大,在高温下出现明显的动态软化.根据得到的流变应力曲线,拟合出了Johnson-Cook模型中的相关参数.经与实验对比验证,Johnson-Cook本构模型能够很好地描述H13钢的动态力学性能,为工程应用中进一步的力学数值分析提供了重要的材料参数.     

3104铝合金的流变应力行为与动态再结晶

对3104铝合金在350-500℃以0．005-0．1s^-1的形变速率进行压缩，真应变为50％，随后立即水冷。采用真应力一真应变曲线和TEM研究其高温压缩变形中的流变应力行为和它的动态再结晶过程。结果表明：3104铝合金为正应变速率敏感材料，具有稳态流变的特征。流变应力随着变形速率的增加而增加，随着变形温度的升高而降低。在低形变温度(350℃)和低形变速率(0．035s^-1)下，该合金发生动态再结晶。     

ASME应变强化本构模型及压力容器安全裕度分析

弹塑性有限元分析需要材料的真实应力—应变曲线,但利用ASME中的应变强化本构模型,按标准保证值和实测值分别建立的ASME真实应力—应变曲线存在较大的差异。运用ANSYS有限元软件模拟同一个1.4301奥氏体不锈钢压力容器模型在这两种材料参数下筒体应力、应变以及爆破压力的差异,并将模拟结果与试验结果对比。同时利用有限元模拟和爆破试验的爆破压力结果,分析奥氏体不锈钢应变强化压力容器在不同预应变下的安全裕度和实际安全裕度。结果表明：按保证值材料参数设计的压力容器,容器的实际塑性应变要比理论值小很多,用实测值材料参数设计大变形压力容器时应严格控制实际的应变值;应变强化压力容器的理论设计应变可达10%,但实际应变应在5%左右,容器才具有足够的安全裕度。     

基于Z-A模型的GH4169高温合金动态本构关系

采用分离式霍普金森压杆试验研究了GH4169高温合金在温度20~400℃和应变速率1 000~3 000s-1时的流变应力-应变曲线,利用Zerilli-Armstrong(Z-A)本构模型描述了流变应力与应变的关系,确定了本构模型的参数,并对该模型进行试验验证。结果表明:GH4169高温合金存在明显的应变速率强化效应和温度软化效应,流变应力和应变呈近线性关系;所建立的Z-A本构模型能够准确地描述GH4169高温合金在不同温度和不同应变速率下的流变行为,其平均相对误差的平均值为2.65%。     

1060铝合金动态力学性能的实验研究

使用分离式霍普金森压杆(SHPB)实验装置测得1060铝合金在不同温度及应变速率下的动态力学性能,并基于power-law本构方程对测得的实验数据进行拟合获得模型参量。结果表明:1060铝合金冲击加载过程中发生高温软化,其峰值应力和流变应力随变形温度升高而降低;当应变率达到4000/s时,1060铝合金的强度和流动应力相比于低应变速率条件下均明显增大,合金表现出强烈的应变强化效应;拟合得到的1060铝合金power-law动态本构模型能较好地预测实验中材料的流动应力。     

热冲压硼钢B1500HS高温本构方程的研究

硼钢的高温本构方程是热冲压数值模拟不可缺少的数学模型,它反映了流动应力与应变、应变速度以及温度之间的依赖关系。为了研究热冲压硼钢B1500HS高温时的流变力学行为,采用Gleeble 1500D热模拟试验机,在600～900℃温度区间,分别以0.01 s–1、0.1 s–1、1.0 s–1、10 s–1的应变速度对硼钢B1500HS试样进行等温单向拉伸试验,计算得到各相应测试条件下的正应力—应变曲线。采用包含变形激活能和变形温度的双曲正弦形式修正的Arrhenius关系来描述硼钢奥氏体组织的热激活变形行为。通过对试验数据进行拟合回归分析,得到与应变量相关的各材料参数,以及与应变速度、变形温度相关的流变应力关系式。试验结果显示,流动应力随着变形温度的降低而增大,随着形变速度的升高而增大。计算结果表明:流变应力关系式的计算结果与试验数据的吻合度较好。     

Influence of temperature on a low-cycle fatigue behavior of a ferritic stainless steel

The main objective of this study is to reveal the effect of dynamic strain ageing (DSA) on a ferritic stainless steel with detail relation to monotonic and cyclic responses over a wide range of temperatures. For assessing the effect of strain rate on mechanical properties, tensile test results are studied at two different strain rates of 2×10^?3/s and 2×10^?4/s. Typical responses of this material are compared with other alloy in literatures that exhibits DSA. Serrations in monotonic stress-strain curves and anomalous dependence of tensile properties with temperatures are attributed to the DSA effect. The low cycle fatigue curves exhibit prominent hardening and negative temperature dependence of half-life plastic strain amplitude in temperatures between 300°C–500°C which can be explained by DSA phenomenon. The regime for dependence of marked cyclic hardening lies within the DSA regime of anomalous dependence of flow stress and dynamic strain hardening stress with temperature and negative strain rate sensitivity regime of monotonic response. It is believed that shortened fatigue life observed in the intermediate temperature is mainly due to the adverse effect of DSA. An empirical life prediction model is addressed for as-received material to consider the effect of temperature on fatigue life. The numbers of load reversals obtained from experiment and predicted from fatigue parameter are compared and found to be in good agreement.     

耦合温度效应晶体塑性的TWIP钢变形行为研究

为探究TWIP钢高温条件下的塑性变形机理,建立了耦合温度效应的晶体塑性本构模型,考虑温度对TWIP钢滑移和孪生的影响,提出了耦合温度效应的流动法则和硬化法则。结合在500 ℃和750 ℃条件下的原位SEM高温拉伸试验,建立了描述TWIP钢热变形过程的晶体塑性有限元模型。模拟获得不同温度条件下的应力应变曲线、应变硬化率和孪晶体积分数与试验结果相吻合,验证了该模型的正确性。进而,基于所建立的模型研究了温度对TWIP钢塑性变形过程滑移、孪生演化及应变硬化过程的影响规律,结果表明：滑移阻力、孪生阻力和应变硬化率随温度的升高呈不均匀降低的趋势,且断后伸长率呈现降低的趋势,由25 ℃时53.4%降低至750 ℃时16.5%。同时,随温度升高,孪生受到抑制,但滑移受温度的影响较小,表现为滑移主导的塑性变形机制。     

一种铁素体钢热变形流变应力行为

利用Gleeble热力模拟试验机在温度为1 123～1 473 K和应变速率为0.001～0.1 s-1的条件下对试验钢进行了热压缩变形试验,测定了其真应力-应变曲线,试验结果表明:试验钢在热压缩变形过程中发生了明显的动态再结晶,流变应力随变形温度的降低和应变速率的提高而增大。通过线性回归分析确定了试验钢的流变应力本构方程。     

Effects of temperature on the static and dynamic stress-strain characteristics in torsion of 1100-0 aluminum

A series of tests is described in which tubular specimens of a commercially pure polycrystalline aluminum were loaded in torsion at either of two dynamic rates, 300 and 600 sec^?1, up to shear strains of about 2 and 4 per cent, respectively, at temperatures in the range ?180 to 250°C. The tests were performed in a torsional split-Hopkinson bar. In the past when this apparatus was employed at an elevated or reduced temperature multiple reflections were encountered along the bars due to the temperature gradients. These reflections required elaborate computational corrections. In the present tests the reflections were eliminated by tapering the Hopkinson bars appropriately so their mechanical impedance in torsion remained constant in spite of the temperature gradients. The results, in the form of stress-strain curves, are compared to the corresponding “static” curves obtained by testing similar specimens in torsion at about 10^?3 sec^?1. The influence of strain rate and of temperature is generally as expected, i.e. the flow stress increases with an increase in strain rate or a decrease in temperature. The strain rate sensitivity parameter varies non-linearly with temperature, and has a minimum value in the neighborhood of room temperature.     

BT25钛合金动态再结晶行为的元胞自动机模拟

为研究热加工工艺参数对钛合金塑性成形过程中微观组织的影响,利用Gleeble-3500型热模拟试验机对BT25钛合金进行单道次等温恒应变压缩试验。分析真应力-应变曲线,建立JMAK动态再结晶动力学方程;通过对热变形行为的分析,推导出钛合金的位错密度模型、再结晶形核和晶粒长大模型;结合元胞自动机的算法,建立元胞自动机(Cellular automata, CA)模型并利用该模型模拟和验证了BT25钛合金热变形过程中动态再结晶行为。结果表明,BT25钛合金的流动应力对应变速率和变形温度非常敏感;提高变形温度或降低应变速率均有利于材料发生动态再结晶;CA模型模拟晶粒尺寸误差约为3%,预测DRX体积分数误差在10%以内。该模型具有良好的预测精度,为合金材料在塑性加工过程中优化工艺参数和控制锻件微观组织演变提供了可靠性依据。     

TC4-DT钛合金材料动态力学性能及其本构模型

利用同步组装的高温分离式Hopkinson压杆试验装置,对TC4-DT钛合金材料分别进行了常温下不同应变率（930~9700s-1）和应变率为5000s-1时不同温度下（20~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种冲击载荷下的应力-应变曲线。试验数据表明,TC4-DT材料具有应变率增塑效应且存在着临界应变率值,当应变率高于此值时应变率敏感性增强明显,此外随着材料加热温度的升高,软化效应减弱。利用试验所得的数据拟合了基于Power-Law和Johnson-Cook两种热-黏塑性本构方程且获得这两种动态本构模型参数,并将所得的两种拟合曲线与试验所得数据进行对比分析,结果表明两曲线吻合度都较好,此外还对这两种曲线的拟合精度进行对比,对比结果表明两种模型的拟合误差相差不大,但是Power-Law模型拟合精度要略优于Johnson-Cook模型的拟合精度。     

GH4169合金不同热变形条件下的流变应力研究

在Gleeble－3500型热加工模拟试验机上进行了GH4169镍基合金的高温压缩试验,变形温度为980℃～1100℃、应变速率为0,01s^-1、0,1s^-1、1s^-1、10s^-1,变形程度为50％。通过绘制真应力一真应变曲线,研究了GH4169镍基高温合金高温下的流变应力行为。结果表明：GH4169是应变速率和变形温度敏感型材料,变形温度升高和应变速率减小使流变应力显著减小;在变形的初始阶段,流变应力迅速增加,在到达峰值后,随着应变的增加,流变应力逐渐下降,并趋于一稳定值。采用简化后的双曲正弦模型Arrhenius方程,建立了GH4169高温条件下的本构方程,运用该方程计算出的峰值应力与试验测量值相比,拟合度达到了95.95％。     

34CrNi3Mo和3Cr2W8V钢唯象本构关系的研究

采用压缩试验法，在热模拟试验机上对３４ＣｒＮｉ３Ｍｏ和３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ钢的高温流动特性进行了实验研究、结果表明，变形温度和变形速度对流动应力的变化影响明显，而变形程度仅影响曲线的形态。从而以应变为修正项，采用逐步线性回归的方法，提出了上述两种材料的唯象本构关系模型。这对利用有限元法对金属塑性成形过程进行数值模拟具有重要意义。