2024A铝合金高温流变行为及本构关系研究

采用Gleeble-3500热模拟试验机对2024A铝合金进行等温热轧,对其高温流变行为进行了研究。通过试验获得2024A铝合金在温度为300~450℃、应变速率为0.01~10s-1时的真应力-真应变曲线。结果表明,2024A铝合金的流变应力与温度、应变速率和变形量之间呈非线性关系,流变应力随着应变速率增大而升高,随着变形温度的升高而降低。基于试验数据,分别建立考虑应变补偿的Arrhenius和修正的Johnson-Cook(M-JC)本构模型,引入统计学方法对模型精度进行量化评估:Arrhenius模型的平均相对误差和均方根误差分别为5.02%和5.88MPa,M-JC模型的平均相对误差和均方根误差分别为3.72%和5.27MPa,可见M-JC模型预测精度优于Arrhenius模型,说明M-JC模型能更为准确地描述2024A铝合金的高温轧制过程中的流变行为。     

HNi55-7-4-2合金高温本构模型修正及变形激活能演化规律

研究了挤压态镍黄铜HNi55-7-4-2合金高温本构模型的修正方法及其变形激活能的演化规律,对HNi55-7-4-2合金进行不同变形温度(873～1073 K)及应变速率(0.01～10 s~(-1))条件下的等温热压缩实验,获取了HNi55-7-4-2合金的流动应力-流动应变曲线。基于材料参数和变形激活能对变形条件的依赖,构建了一种考虑变形条件对材料参数影响的修正本构模型。经验证,修正本构模型能很好地预测HNi55-7-4-2合金的高温流动应力,其预测精度高。在不同变形条件下应用修正本构模型计算变形激活能,变形激活能受到变形温度、应变速率和变形量的综合影响,其变化范围在119.0～173.2 kJ·mol~(-1)之间。此外,变形激活能随着变形温度的增加而降低,随着应变速率的增加先降低后升高。     

轻轨用55Q钢的高温流变应力本构模型

通过Gleeble-3800热模拟实验机,在应变速率为0.1～20 s^-1、变形温度为900～1200℃的条件下对轻轨用55Q钢进行轴向单道次压缩实验,得到55Q钢的真应力-真应变曲线,并分析研究了不同热加工条件对55Q钢高温流变应力的影响。实验结果表明：在相同变形温度下,低应变速率时的流变应力较低,在相同应变速率下,高温时的流变应力较低,说明低应变速率和高温有利于动态软化。对流变应力、应变速率和变形温度之间的关系进行线性拟合,建立了55Q钢的修正Johnson-Cook本构模型和基于应变补偿的Arrhenius本构模型,对比两种模型发现,基于应变补偿的Arrhenius本构模型的预测精度更高,能够较好地揭示55Q钢的热变形特性。     

变形态Ti40合金的高温流变应力模型研究

利用变形态Ti40合金在变形温度范围为1223～1323K和应变速率范围为0.001～1.0s-1的不同应变下的热压缩实验数据研究了该材料的高温流变应力模型。利用实验数据分析了Arrhenius型方程对变形态Ti40合金的适用性,结果表明,采用双曲正弦型Arrhenius方程建立该材料的高温流变应力模型是适宜的,并通过对双曲正弦方程进行温度补偿及引入路径变量因子改进了模型。通过计算复相关系数和平均相对误差绝对值对该模型进行误差分析,经过改进的变形态Ti40合金的高温流变应力模型具有良好的精度。     

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。     

挤压态HNi55-7-4-2镍黄铜合金的热变形行为和加工图

首先，以挤压态HNi55-7-4-2镍黄铜合金为对象，应用热模拟机Gleeble-3500对其进行等温热压缩实验，研究该合金在600～800℃和0.01～10 s^-1条件下的热变形行为。其次，基于动态材料模型和极性交互模型，分别建立HNi55-7-4-2镍黄铜合金的Prasad、Murty和PRM加工图，并结合不同变形条件下的微观组织演变，对比3种加工图的预测效果。结果表明：Murty加工图预测效果最差，而Prasad加工图和PRM加工图预测效果较好。HNi55-7-4-2镍黄铜合金的最优热变形加工参数范围为：变形温度为600～725℃,应变速率为0.01～0.07 s^-1和变形温度为740～800℃,应变速率为0.05～1 s^-1。失稳区的变形机制为局部塑性流动和混晶组织，安全区的变形机制为动态再结晶。     

基于材料参数演化修正Arrhenius模型与BP-ANN模型的近 β Ti-55511合金等温压缩过程流动应力预测

为了研究Ti-55511合金在近β区域的热流动行为,在温度973–1223 K、应变速率0.001–1 s^-1条件下,利用Gleeble.3500热模拟试验机进行了等温压缩试验。对实验获得的流动应力曲线进行了修正,降低了摩擦与绝热温升等因素对流动应力的影响。采用考虑材料参数演化的修正Arrhenius模型和反向传播人工神经网络(BP-ANN)模型对钛合金热变形过程中的流动应力进行预测,并通过统计分析对预测模型精度进行了评估。将2种预测模型扩展的应力、应变数据植入有限元,模拟了热压缩实验过程。结果表明,Ti-55511合金的流变应力与应变速率呈正相关,与温度呈负相关,合金软化机制主要为再结晶。修正后的Arrhenius模型和BP-ANN模型都能描述流体的流动行为,BP-ANN模型在α+β区域的拟合精度高于修正后的Arrhenius模型,而在β区域的拟合精度低于修正后的Arrhenius模型。     

Mg-6.5Y-2.5Nd-0.6Zr合金热压缩变形流变应力行为

在变形温度为623-773 K、应变速率为0.01～1.0 s-1、最大变形量为60%条件下,采用Gleeble-1500D热/力模拟机对Mg-6.5Y-2.5Nd-0.6Zr合金热压缩变形流变应力行为进行实验研究.结果表明:在应变速率为1.0 s-1等温压缩时,由变形热引起的温升最大达到25 K,修正后流变应力最大比测量值增加31.2 MPa;而应变速率为0.1 s-1压缩时,流变应力的修正值较测量值先减小后增大,其差值在7.8 MPa以内.根据修正的真应力-真应变曲线,结合包含双曲正弦形式的Arrhenius方程并引入Zener-Hollomon参数建立了流变应力本构方程,运用该方程计算的峰值应力与修正的实验数据吻合很好,其相对误差不超过5%.     

考虑不同应变的3003铝合金流变应力预测模型建立与验证

在应变速率0.01~10.0 s~(-1)以及热变形温度300~500℃下,通过Gleeble-1500热模拟试验机对3003铝合金进行高温等温压缩实验。结果表明,该合金具有正的应变速率敏感性。当变形温度低于350℃时,合金的热变形机制以动态回复为主;应变速率大于1.0 s~(-1)时,合金的热变形机制以不连续动态再结晶为主。建立了综合考虑应变速率、变形温度以及应变对流变应力影响的本构方程,本构方程中的材料常数可以表示为应变的4次多项式函数。模拟结果表明:预测曲线与实验曲线吻合较好,流变应力的实测值与预测值的均方根误差以及平均相对误差分别为0.99814和5.72%。所建立的本构方程计算精度较高,可以为合金热变形流变应力的预测提供参考依据。     

考虑变形参数的锰黄铜高温本构模型构建及变形激活能演化

采用Gleeble-3500热模拟实验机对挤压态HMn64-8-5-1.5锰黄铜合金在不同变形温度(873～1073 K)及应变速率(0.01～10s-1)条件下进行等温热压缩实验,获得其真应力-真应变曲线.基于实验数据构建考虑应变补偿的Arrhenius模型并检验其预测精度,结果表明由于该模型未考虑变形条件对材料参数的影响,导致了预测精度不高.因此,提出一种考虑变形条件对材料参数影响的修正型本构模型,经验证,所建立修正的Arrhenius本构模型能很好地预测HMn64-8-5-1.5合金的高温流变应力.此外,基于修正模型可获得不同变形条件下合金的变形激活能,其受到应变、应变速率和变形温度的影响.     

铸态GH4169合金热变形行为及三种本构模型对比

在Gleeble-1500热力模拟机上对铸态GH4169合金进行热压缩试验,变形参数为:温度(1193～1373K)、应变速率(0.01～10s~(-1))、变形量50%。通过分析真应力真应变曲线,研究铸态GH4169合金的热变形行为;对比分析了Johnson-Cook(JC)、修正的Johnson-Cook(MJC)和应变补偿Arrhenius3种本构模型的相关系数(R)和平均相对误差(AARE)。结果表明:铸态GH4169合金的流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而减小。JC模型、MJC模型和应变补偿的Arrhenius本构模型的相关系数(R)分别为0.891、0.956和0.961,AARE依次为29.02%、11.16%和9.31%。因此,应变补偿的Arrhenius模型能够更为精确地描述铸态GH4169的热变形行为。     

基于GA-Arrhenius本构模型的EA4T钢高温变形行为北大核心CSCD

通过Gleeble-3800热模拟实验机,对EA4T车轴钢分别在变形温度为970、1070和1170℃及应变速率为0.01、0.1和1.0 s的条件下进行热压缩实验,压缩至最大真应变为0.8。以得到的真应力-真应变实验数据为基础,分别建立了考虑应变补偿的Arrhenius本构模型和经过遗传算法优化后的Arrhenius本构模型(GA-Arrhenius),用于预测真应力与真应变的关系。为了验证GA-Arrhenius本构模型在真应力预测中的优越性,使用相关系数R、平均绝对误差AARE和均方根误差RMSE来说明其预测精度。实验结果表明:采用Arrhenius本构模型时,R=0.9970、AARE=3.4232%、RMSE=2.8773 MPa;采用GA-Arrhenius本构模型时,R=0.9982、AARE=2.6577%、RMSE=2.2110 MPa。说明相较Arrhenius本构模型,GA-Arrhenius本构模型能够更好地预测EA4T钢热成形过程中的真应力与真应变的关系,可以实现更高精度的有限元数值模拟。     

高强韧Ti6246合金热变形行为及应变补偿型本构模型

在温度为1123~1423 K,应变速率为0.01~10 s-1条件下,对Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo(Ti6246)合金进行高温热压缩试验。研究温度、应变速率和应变对Ti6246合金高温流变应力的影响规律,建立了该合金考虑应变补偿的Arrhenius本构模型,同时获得了热激活能Q和本构模型中材料参数对应变的响应规律。将模型计算结果与热压缩试验值进行对比发现,预测结果较为准确,其相关系数(R)及平均相对误差(AARE)分别为0.9984和1.71%,表明该合金热变形过程中的流变应力可用构建的应变补偿Arrhenius本构模型来描述。     

基于人工神经网络的高精度Ti6242s合金热变形本构模型

使用Gleeble-3800对锻态Ti6242s钛合金在温度950～1010℃、应变速率0.01～10 s-1的条件下进行了75%变形量的热压缩模拟试验。基于实验取得的真应力-真应变曲线,分别使用人工神经网络(ANN)和Arrhenius方程建立Ti6242s合金本构模型,研究其热变形行为。结果表明:流变应力在变形开始后迅速上升至峰值应力,随后硬化与软化达到动态平衡,在真应变达到0.6后加工硬化逐渐占据主导,硬化幅度随应变速率的增大而提高;人工神经网络本构模型预测值的平均相对误差(AARE)为2.25%,决定系数(R2)为0.999 06;Arrhenius方程本构模型预测值的AARE为14.40%,R~2为0.954 68,精度在参数范围内波动较大;ANN本构模型精度远高于Arrhenius本构模型,且在整个参数范围内具有一致的精度;ANN本构模型具有良好的泛化能力,在实验参数范围外预测流变应力仍具有较高的精度。     

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。     

GH5188合金流变行为研究

通过在Gleeble-3500型热模拟实验机上对GH5188合金进行等温热压缩实验,在变形温度为1030~1150℃、应变速率为0.01~10s-1的条件下,研究其热压缩变形的流变应力变化规律。在应力-应变结果的基础上,采用引入应变量因素的Arrhenius方程,建立了描述GH5188合金高温变形特性的本构方程。结果表明:变形温度和应变速率对GH5188合金流变应力影响显著,随变形温度升高和变形速率的降低,相同变形程度下合金的流变应力显著降低,并且在较低的应变下合金即可达到稳态流变状态。GH5188合金流变应力计算值和实验值相对误差较小,所建立的本构方程具有良好的预测能力。     

Ti-48Al-2Nb-2Cr合金热变形行为及本构关系研究

采用Gleeble-1500热力模拟机对铸态Ti-48Al-2Nb-2Cr合金进行高温变形热压缩试验,变形温度范围为1050~1200℃,应变速率范围为0.001~0.1s^-1,压缩变形量为60%。研究该合金高温变形温度和应变速率与流变应力之间的关系,计算了合金激活能,并建立了Ti-48Al-2Nb-2Cr合金的Arrhenius本构模型和多元线性回归的本构模型。结果表明,该合金的激活能随温度升高和应变速率增大而增大;Arrhenius本构模型的相关系数为0.98228,平均相对误差为9.97%,相对误差在10%以内的点只占62.0%;而采用多元线性回归本构模型的相关系数为0.99566,平均相对误差为4.76%,相对误差在10%以内的点占92.6%,本构精度较高。     

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%。     

基于BP神经网络的GH5188高温合金本构模型

采用Gleeble-3500热模拟试验机对GH5188高温合金试样进行热压缩试验,研究其在应变速率为0.001~0.1s^-1和变形温度在1000~1150℃时的热变形行为;建立了基于BP神经网络的本构模型,并验证了所建本构模型的可靠性,最后基于误差计算分析了BP神经网络本构模型的精度。结果表明,温度和应变速率对GH5188合金流变应力的影响明显,随着压缩温度升高和应变速率降低,GH5188合金流变应力明显减小。经定量误差计算分析,BP神经网络本构模型应力预测偏差值在10%以内的数据点占97.92%,BP神经网络模型能准确地预测GH5188高温合金的高温流变应力。     

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。