粉末冶金铝钨合金热变形行为与应变补偿型本构模型

采用Gleeble-1500热模拟实验机,在变形温度450~570℃、应变速率0.001~1s-1、最大变形量60%的变形条件下,对铝钨合金粉末冷、热压制备的试样进行等温恒应变速率压缩试验,研究了该粉末合金的高温流动应力变化规律,建立了应变补偿的材料热变形Arrhenius本构关系模型,并将经模型计算得到的流动应力结果与热模拟实验数据进行了对比,结果比较吻合。考虑应变对流动应力的影响,确定了峰值应力、变形温度和应变速率之间的关系,并获得了变形激活能和本构方程中材料常数随应变的变化规律。     

Ti-62A合金动态软化速率异常的热力学解释及其应变补偿本构方程

使用Gleeble-3800 热模拟试验机研究了Ti-62A合金在变形温度为800~950℃、应变速率为0.001~10 s^-1条件下的热压缩变形行为。结果表明,随着变形温度的提高出现Ti-62A合金的动态软化率降低的反常现象。(α+β)双相钛合金中Mo、Cr等β稳定元素的原子活性随着温度的升高而逐渐降低和β相比例增大,Jmatpro软件的热力学计算表明(α+β)双相钛合金的这一现象与此有密切关系。而α钛合金和β钛合金出现动态软化速率降低,与加工温度升高β相比例增大的关系更密切。从800℃升高到950℃,Ti-62A合金中β相的比例由32.1%提高到84.3%,Mo、Cr活性的降幅均达到64%。这些因素使变形过程中Ti-62A合金的晶界迁移速度和动态软化速率均随变形温度升高而降低,其950℃的真应力-应变曲线多为典型的动态回复型。α相的含量随着变形温度的提高而降低,且在较高的变形温度下β相的晶粒尺寸也较为粗大。构建的基于应变补偿的Ti-62A合金Arrhenius变形抗力模型,能较好地预测合金的流变应力行为,其相关系数R达到0.990,预测值与实测值的平均相对误差为8.983%。     

Zirlo锆合金高温变形行为及本构关系EI北大核心CSCD

采用Gleeble-3800型热模拟试验机,对Zirlo合金进行等温恒应变速率压缩实验,研究其在变形温度550~700℃,应变速率0.01~10 s^(-1)范围内的热变形行为;并在Arrhenius型双曲正弦函数方程基础上引入应变量,构建了基于应变补偿的Arrhenius本构模型,同时构建了基于位错密度演化加工硬化模型和基于唯象型的软化模型的分段唯象型本构模型。结果表明:Zirlo合金的流变应力随着温度的降低和应变速率的提高而升高,低应变速率下流变应力呈现更高的温度敏感性,流变应力曲线在不同变形条件下分别呈现加工硬化、动态回复、动态再结晶特征。经过误差分析可知,基于应变补偿的Arrhenius本构模型大部分预测值的误差均在15%以内,具有较高的准确性,而分段唯象型本构模型相对平均绝对误差最大值不超过3%,具有97%以上的准确率,可以很好地预测合金的应力-应变曲线,具有良好的拓展性,并且可初步判断曲线类型,具有良好的实用性。     

基于应变补偿和PSO-BP神经网络Ti-2.7Cu合金本构关系

采用Gleeble-3500型热模拟试验机对Ti-2.7Cu合金进行等温恒应变速率压缩实验,研究其在变形温度740～890℃,应变速率0.001～10s~(-1)范围内的热变形行为;并在Arrhenius型双曲正弦函数方程基础上引入应变量构建了基于应变补偿的本构模型,同时构建了基于PSO-BP神经网络的本构关系模型。结果表明:合金的流变应力对变形温度和应变速率较为敏感,变形温度升高和应变速率减小都会使流变应力降低;在高温和低应变速率条件下,流变曲线大多呈现稳态流动特征。经过误差计算得出,基于应变补偿的本构模型,预测值偏差在15%以内的数据点占85.28%;采用PSO-BP神经网络建立的本构模型,预测值偏差在15%以内的数据点占96.67%,PSO-BP神经网络模型具有更高的精度,能准确预测Ti-2.7Cu合金的高温流变应力。     

生物医用TC20钛合金高温变形行为及本构关系

采用Gleeble-1500热模拟试验机对TC20合金进行等温热模拟压缩实验。分析该合金在变形温度为750~900℃,应变速率为0.001~1.0s-1条件下的变形行为及流变应力的变化规律。分析不同变形温度和变形速率下的热变形行为及其微观组织的演变规律,观察结果表明:流变应力和微观组织受变形温度和应变速率显著影响;流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低,流变应力在经历加工硬化的上升阶段后达到硬化和软化相平衡的稳定阶段。采用双曲正弦模型确定该合金的变形应力指数n和变形激活能Q分别为4.43和340.908kJ/mol,建立了相应的热变形本构方程为:ε=2.706×1016[sinh(0.0091σ)]5.72exp[-340908/(RT)]。     

金属和合金高温变形过程本构模型的研究进展

本构模型是预测金属和合金高温变形行为的重要途径,在不同金属和合金选择合适的变形工艺参数、预防缺陷等方面起着至关重要的作用。在近年对金属和合金高温变形过程的研究中,常通过不同工艺参数下的各类高温变形试验来获取建立本构模型的原始数据,并将所获本构模型导入Deform、Ansys等模拟软件相应模块,以预测材料在锻造等过程中应力、应变速率、温度的分布规律,进而优化实际加工参数、避免缺陷的产生,同时减少耗材及资源浪费。鉴于本构模型在优化加工参数、预防缺陷等方面的重要作用,对金属和合金本构模型的建立、选择等方面的研究较多,选择何种试验方法来获取建立材料本构模型的试验数据、运用何种数学或物理方法来建立材料的本构模型、选择何种本构模型进行预测、各类本构模型的优缺点及修正方法等都是金属和合金高温变形过程本构模型的研究重点。在近些年的研究中,常运用热压缩、热拉伸、热扭转、分离式霍布金森压杆等高温变形试验方法来获取材料不同高温变形工艺参数下的原始数据,进而建立其本构模型。常用的本构模型大致可分为唯象型、物理基型及基于人工神经网络型。各类模型分别具有不同的适用性及优缺点,而缺点最终主要体现在部分工艺参数下的拟合偏差较大,针对该现象,各国学者不断对模型进行完善、修正,其中,除了模型本身的原因外,引起偏差的原因还包括没有考虑摩擦及变形热等宏观问题的影响。目前,常用的典型唯象型本构模型包括Arrhenius型本构模型、Johnson-Cook模型等,物理基模型如Zerilli-Armstrong型等,而基于人工神经网络模型则主要是利用输入层、隐含层及输出层进行预测,各类模型在数据处理的复杂性、物理意义等方面各有优缺点。文章从金属和合金高温变形过程获取本构模型原始数据的试验方法、本构模型的种类及修正、模型的应用等方面综述了本构模型的研究及发展,分析并总结了不同本构模型的优缺点,指出了模型预测过程中个别参数下预测值与试验值偏差较大的现象及其修正方法,并展望了金属和合金高温变形过程本构模型未来的研究方向。     

新型超高强Al-Zn-Mg-Cu合金热压缩变形行为及微观组织特征

利用Gleeble-1500热模拟试验机对新型超高强Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金进行高温热压缩实验,研究该合金在变形温度370～460℃、应变速率0.001～10s^-1条件下的流变应力以及变形过程中的显微组织。结果表明:流变应力在变形初期随着应变的增加迅速增大,出现峰值应力后逐渐下降并达到稳态,流变应力随着应变速率的增大而增大,随着变形温度的升高而下降;流变应力可以采用双曲正弦形式的关系来描述,通过线性拟合计算出该材料的形变激活能等参数,获得流变应力的本构方程。随着变形温度升高和应变速率降低,原始晶粒变形程度显著增加,再结晶分数明显上升。     

30Cr4MoNiV超高强度钢热变形本构方程的构建与优化

采用Gleeble-3500热模拟机在温度为1 173～1 373 K和应变速率为0.01～10 s^-1的条件下通过热压缩试验研究了30Cr4MoNiV超高强度钢的热变形行为,引入应变补偿建立了优化的本构方程。结果表明：流动应力随应变速率的增大和变形温度的降低而增大。采用幂律函数、指数函数和双曲正弦函数构建的三种本构方程中,双曲正弦函数的准确度最高。基于双曲正弦函数并引入应变补偿优化后的本构方程可以较为准确地预测30Cr4MoNiV超高强度钢在热加工过程中的流动应力。     

GH5188合金板材高温拉伸变形流动行为与本构方程研究

目的 研究GH5188合金板材高温拉伸变形流动行为,为高温合金板材高温成形工艺的制定和优化提供指导。方法 基于GH5188合金板材高温拉伸试验,分析了变形工艺参数对GH5188合金板材高温拉伸变形时真应力、应变速率敏感性指数和应变硬化指数的影响规律,建立了本构模型对其流动行为进行描述和预测。结果 GH5188合金板材高温拉伸变形流动行为受应变硬化、流动软化和应变速率硬化的共同影响,其变形过程分为弹性变形、加工硬化、稳态流动和断裂4个阶段。随变形温度的升高和应变速率的降低,真应力减小。变形温度、应变速率和真应变对GH5188合金板材的应变速率敏感性指数和应变硬化指数具有显著影响。基于Johnson-Cook和Hensel-Spittel模型,建立了考虑应变硬化效应、流动软化效应和应变速率硬化效应耦合影响的GH5188合金板材高温拉伸变形本构模型(JC-HS模型),采用该模型预测的真应力与试验值的平均相对误差为6.02%。结论 建立的JC-HS模型能够较好地描述和预测GH5188合金板材的高温拉伸流动行为。     

低体积分数SiCp/Al复合材料热变形行为的研究

在Gleeble-3500热模拟实验机上对机械超声搅拌法制备的SiCp/Al复合材料进行高温压缩变形实验,研究其高温热变形行为.变形温度为300～500℃,应变速率为0.0005～0.1 s-1,在实验数据的基础上,引入Z-H参数建立了用于描述复合材料高温热变形行为的本构关系模型.研究表明:流变应力开始随应变的增加而增大,出现峰值后逐渐减小并趋于平稳,表现出流变软化特征;应力峰值随温度的升高而减小,随应变速率的增大而增大.     

Ti60合金高温连续氧化行为研究

研究了Ti60合金（Ti-5.6Al-4.8Sn-2.0Zr-1.0Mo-0.85Nd-0.34Si)在620℃，720℃和800℃时的连续氧化行为，用扫描电子显微镜和X射线衍射仪和X射线能谱仪研究分析了Ti60钛合金氧化层形貌，微观结构和成分分布，以研究Ti60合金在不同温度下的氧化机理，结果表明：Ti60和在620℃有较好的抗氧化性能，其连续氧化动力学符合抛物线规律。在720℃和800℃，氧化严重，其连续氧化曲线近似直线规律。     

Mg-9Li-3Al-2.5Sr合金的热变形行为

使用Gleeble-1500D型热模拟试验机,对挤压态Mg-9Li-3A1-2.5Sr合金进行热力模拟实验(变形温度为200-350℃,应变速率为0.001-1 s^-1),分析了材料的流变应力与变形温度和应变速率的关系,建立了该合金热变形过程中的本构方程,计算了该合金的热加工图,并结合显微组织观察对加工图进行了分析.结果表明:材料的流变应力随着应变速率的增加而增加,随着温度的升高而下降;用双曲正弦函数关系式能很好地描述材料在热变形过程中的稳态流变应力;对热加工图的分析结果表明,在实验参数范围内材料的最佳理论热加工区为260-300℃和0.01-1 s^-1.材料的超塑性加工区为340-350℃和0.003-0.01 s^-1。     

TC21 钛合金高温变形本构方程研究

目的研究变形温度、应变速率等热力参数对TC21钛合金流动应力的影响规律,并构建出TC21钛合金本构方程。方法在热模拟试验机上对TC21钛合金进行了等温恒应变速率压缩实验,分析其真应力-真应变曲线。结果获得了该合金在变形温度范围为760~920℃、应变速率范围为0.001~10 s-1的流动应力数据,采用多元线性回归法建立了该合金的本构方程。结论误差分析表明,该本构方程具有较高精度,可为TC21钛合金锻造过程中的数值模拟和锻造热力参数的合理制定提供理论依据。     

高应变速率作用下ZK60 镁合金的变形行为

对不同状态(热变形态、热变形+T5态和热变形+T6态)ZK60镁合金靶板进行了弹丸高速冲击(500 m/s)变形实验研究。结果表明,高速弹击实验后,在靶材弹孔背面出现了白亮的剪切唇,说明ZK60合金靶材具有较好的塑性,在高速弹击情况下,吸能性较好,具有较好的抗弹性。热变形+T5态ZK60镁合金靶板抗弹性较好,弹坑周围几乎不出现裂纹;通过线性回归分析,建立了弹坑深度与靶板材料力学性能之间的关系式,说明了当ZK60镁合金综合力学性能都较高时,材料就可获得优异的抗弹性。     

ZK60镁合金的热压缩变形行为

采用Gleeble-1500热模拟机在温度250～400℃、应变速率0.001～1s-1、最大变形程度105%的条件下对ZK60镁合金进行了高温压缩模拟实验研究。分析了实验合金在高温变形时的流变应力和应变速率及变形温度之间的关系,计算了变形激活能和应力指数,并观察了热压缩变形过程中组织的变化。结果表明,合金的峰值流变应力随应变速率的增大而增加,随温度的升高而减小;在给定的变形条件下,计算出合金的变形激活能为63～130kJ/mol,应力指数为2.78～3.79;降低变形温度和提高应变速率可使再结晶晶粒的平均尺寸减小。     

Ti60合金在650～750℃高温下的氧化行为

研究了Ti60合金(Ti-5．6A1-4．8Sn-2．0Zr-1．0Mo-0．85Nd-0．34Si)在650～750℃下的高温氧化行为；采用恒温或循环氧化增重方法、氧化速度常数、活度等理论计算研究了合金氧化的热力学和动力学规律；用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法，研究氧化膜的表面形貌和结构；采用俄歇电子能谱(AES)分析元素沿深度方向的分布，研究元素在氧化过程中的扩散行为。研究结果表明：Ti60合金在650℃和700℃有较好的抗氧化性能，其循环氧化动力学曲线基本上符合抛物线规律；在750℃，氧化严重，其循环氧化动力学曲线近似符合抛物线一直线规律。氧化层由金红石结构的TiO2氧化物和少量的Al2O3组成。氧化表面形貌为网篮状组织，这是由于α相和β相的成分和结构不同，界面扩散和体扩散差异导致的氧化程度不同所造成的。稀土第二相处氧化严重，表面裂纹大多产生于稀土第二相颗粒。     

Nb47Ti合金热变形行为及微观组织

目的 研究Nb47Ti合金在变形温度为600～750℃、应变速率为0.001～1s?1条件下的热变形行为和微观组织。方法 采用Gleeble-3500型热/力模拟试验机进行等温恒应变速率压缩实验,获得Nb47Ti合金热变形的真应力应变曲线,并利用EBSD技术手段分析热变形后的微观组织。结果 Nb47Ti合金在变形温度小于650℃、应变速率小于0.1s?1下热变形的真应力-应变曲线为动态再结晶型曲线,变形温度大于等于700℃时呈现为动态回复型曲线;峰值应力随变形温度的升高和应变速率的减小而减小;在变形温度为650℃、应变速率为0.001 s?1下热变形组织以再结晶晶粒和亚晶粒为主,随着应变速率的增大,动态再结晶晶粒不断减少,而亚晶粒和变形晶粒增多,晶粒得到显著细化。当应变速率为0.1 s?1时,随着变形温度的增加,晶粒尺寸增大,变形温度升高至750℃,热变形组织中亚晶粒所占比例高达50.5%。结论 Nb47Ti合金是温度和正应变速率敏感材料,随变形温度的升高和应变速率的增大,变形过程中动态回复软化机制更为显著,低温、高应变速率下变形获得的再结晶晶粒尺寸小。