钛合金电辅助拉伸变形的三场耦合建模与试验研究

基于ABAQUS子程序UMAT建立了Ti6554钛合金脉冲电流辅助拉伸过程的电-热-力三场耦合有限元模型,分析了脉冲电流密度、占空比和频率对流动应力和温度变化的影响规律,将模拟结果与电辅助拉伸试验结果进行了对比,解耦了电塑性效应中的焦耳热效应和非热效应,分析了其对应力降的贡献,并提出一种量化非热效应贡献的经验表达式。结果表明：随着脉冲频率的降低,应力降和温升降低;随着占空比的增大,不同频率间应力降和温升的差距逐渐减小;脉冲频率为1和10 Hz时,随着占空比的增大,应力降和温升增大,而脉冲频率为0.1 Hz时,实际温升和应力降不随占空比的增大而改变。通过解耦非热效应,发现电流密度越大,非热效应的贡献越小;真应变越大,非热效应的贡献越大。     

Ti6Al4V钛合金高温损伤模型及损伤机理

在800～1000℃及应变速率为0.01～5 s^-1条件下对Ti6Al4V钛合金进行了高温拉伸试验,研究了其高温损伤行为。基于Normalized Cockcroft-Latham(NCL)损伤模型,提出了考虑温度及应变速率的高温损伤模型,采用Gleeble Fracture Limit (GFL)方法测定了Ti6Al4V合金的临界损伤值。对Ti6Al4V合金拉伸过程进行了仿真模拟,并与拉伸试验的断裂长度进行对比。观察了合金的拉伸断口,分析变形条件对其断口形貌的影响。结果表明：模拟结果与试验结果的吻合度较高,相关系数R为0.993,表明该损伤模型对Ti6Al4V合金的损伤具有较高的预测精度;断口分析表明Ti6Al4V合金高温下为韧性断裂,且在较高的温度和较低的应变速率下表现出较好的塑韧性。     

塑性损伤对焊接接头热影响区韧性的影响

基于小冲杆试验法对25Cr2Ni2Mo V百万千瓦级核电汽轮机焊接转子深窄间隙埋弧焊接头热影响区进行了力学性能评估。通过有限元方法模拟得到焊接转子接头的残余应力分布及塑性应变的演变过程,并引进非线性塑性损伤理论进行汽轮机转子接头韧性分析。小冲杆试验结果表明,埋弧焊热影响区断裂韧性沿着深度方向存在差异,断裂韧性呈现为"中间高两端低"分布特征。由于焊接过程中塑性应变累积,热影响区塑性损伤程度不同,材料塑性储备能变化导致接头热影响区韧性差异。     

金属塑性损伤力学模型研究进展

针对金属塑性损伤力学模型进行综述,总结和介绍了连续介质损伤力学模型以及细观损伤力学模型各自的优缺点及应用范围,并简要概括了两种模型的区别.以韧性断裂准则为出发点,总结了包括Kachanov-Rabotnov模型、Bao-Wierzbicki模型以及GTN模型在内的各模型的发展历程,在此期间,应力三轴度和Lode角参数的...     

电致塑性效应本构方程的研究

通过分析脉冲电流对金属应力应变的影响,经一定的假设条件处理,选择合理经验方程简化金属材料的应力-应变模型,得到脉冲电流对金属应力应变的影响函数。结合不同加工硬化模型,推导出电致塑性效应的本构方程H模型和V模型,分析两种模型的各自特点,提出新的电致塑性效应本构方程H-V模型。经过对比发现,H-V模型对纯铝的模拟应力应变和实际应力应变平均误差仅为0.5%,最大误差为2.3%。对于纯钛,H-V模型对任一应变所对应的流动应力的模拟误差在±10.0 MPa,模拟和实测的应力-应变曲线平均误差仅为3.6%,最大误差为6.4%。H-V模型能准确模拟纯铝和纯钛在施加脉冲电流拉伸过程中应力和应变的行为。     

考虑不连续屈服的钛合金高温变形本构模型

以发生不连续屈服的钛合金高温变形流动曲线特性为基础,讨论各阶段的变形机制。利用位错增殖动态理论和统一粘塑性理论,构建反映变形温度和应变速率影响且能描述不连续屈服、下屈服点后存在轻微应变硬化、动态再结晶等变形特性的高温粘塑性本构模型。将所建模型应用于新型亚稳β钛合金Ti2448发生明显不连续屈服的高温变形,并用改进的遗传算法确定模型中的相关材料参数。预测值与实验值误差在5%以内,表明这种基于内变量构建的本构模型不仅物理意义清晰,能够有效描述发生不连续屈服的钛合金高温变形,而且具有较强的外推能力,能为其它钛合金的本构模型构建提供参考。     

Ti40阻燃合金大晶粒超塑性变形特性及唯象型本构关系研究

对具有粗大晶粒的Ti40阻燃合金进行了超塑性拉伸试验,确定了其可实现大晶粒超塑性的变形参数区间,并建立了该合金大晶粒超塑性唯象型本构关系。结果表明:在低温高应变速率条件下(温度≤800℃,应变速率≥5×10~(-3)s~(-1))Ti40阻燃合金不具备大晶粒超塑性,在高温低应变速率条件下具有良好的大晶粒超塑性能,最大伸长率436%出现在840℃,1×10~(-3)s~(-1)条件下;真应力-真应变曲线呈典型的4阶段特征;应变速率敏感指数m值随变形温度的升高先增大后保持不变,最大达到0.41;基于Arrhenius方程计算的Ti40合金超塑性变形的激活能为263.3 kJ·mol~(-1);基于BP神经网络构建本构模型,其误差分析表明平均相对误差仅为2.342%,预测的平均相对误差仅为2.715%,说明该本构模型具有较高的精度。     

基于内变量的Ti555211合金热变形本构模型

利用Gleeble-3800热模拟实验机,在应变速率在0.001~1 s-1以及变形温度在750~950℃范围内对Ti555211合金进行等温恒应变速率压缩实验。本工作基于位错变化密度的内变量方法建立了Ti555211合金热变形本构模型,通过真应力-真应变曲线分析了变形温度和变形速率对流变应力和微观组织的影响规律。结果表明:所建立的本构模型与实验值的平均相对误差为15.25%,相关系数为0.94277,从而为制定新型Ti555211近β钛合金锻造工艺提供科学的理论依据。     

Ti-55高温钛合金纯电塑性效应试验研究

通过电辅助等温拉伸与常规等温拉伸试验研究了脉冲电流对Ti-55高温钛合金拉伸变形行为的影响,并采用扫描电镜观察了Ti-55高温钛合金在不同条件下的微观组织与断口形貌变化。结果表明,Ti-55高温钛合金存在较为明显的纯电塑性效应,电辅助拉伸相较于常规等温拉伸在降低高温钛合金变形抗力与屈强比方面有着更显著的作用;电辅助变形试样的平均晶粒面积及小角度晶界所占比例在600℃时都大于常规热变形,700℃数据结果反转,说明电辅助作用下Ti-55高温钛合金发生动态再结晶所需的温度低于常规热变形;纯电塑性效应的存在增加了Ti-55高温钛合金微孔聚集性断裂的倾向。     

基于模糊神经网络的Ti40合金高温本构关系模型

采用Gleeble1500热模拟实验机对Ti40合金在变形温度900～1100℃,应变速率0.01～10s-1,最大变形程度约60%的条件下的高温流动应力变化规律进行研究。针对该合金高温变形过程中复杂的流变行为,以实验所得数据为基础,基于模糊神经网络方法建立该合金的高温本构关系模型,并与实验结果进行对比。结果表明:基于模糊神经网络建立Ti40合金的高温本构关系模型是切实可行的,模型的精度较高,最大误差为8.14%,不超过10%,可以很好地描述Ti40合金在高温变形时各热力学参数之间高度非线性的复杂关系,弥补传统回归模型不能反映变形全过程的局限性,是一种便捷、有效的具有广泛应用前景的表征工程材料本构关系的方法。     

弹粘塑性晶界变形损伤本构模型

晶界弹粘塑性变形损伤是钛合金超塑性成形和等温时效成形过程中的主要变形机制。文章考虑晶界的粘滞性及由其引起的率敏感性,建立弹粘塑性的晶界变形损伤本构模型,并结合Cohesive晶界单元描述晶界在钛合金低应变速率变形中的响应,实现对钛合金晶界的粘滞性滑移与迁移的合理描述。基于ABAQUS/Explicit平台,利用所建模型对不同应变速率10-3s-1、10-2s-1和10-1s-1下工业纯钛TA1单向拉伸过程中的晶界滑移行为进行有限元数值模拟分析。结果表明,当晶界厚度由0.8μm增大至1.2μm时,其临界强度降低,且晶界滑移对塑性变形的贡献增大近两倍;当应变速率为10-2s-1和10-3s-1、对应塑性应变为0.1时,晶界滑移对塑性应变的贡献分别是应变速率为10-1s-1时的10倍和20倍。     

1420铝锂合金电致超塑性本构方程

变形温度为480℃时,对1420铝锂合金进行了不同应变速率、脉冲电流密度和脉冲频率的电致超塑性拉伸试验;通过对现有超塑性本构方程进行修正,建立了耦合脉冲电流密度和脉冲频率的超塑性本构方程,并对其进行了试验验证。研究结果表明:变形温度为480℃、应变速率为0.001 s-1时,在1420铝锂合金的超塑性拉伸试验中施加脉冲电流后,材料的流动应力比未施加电流时有所降低,伸长率有所增加;当脉冲电流密度为192 A·mm-2、脉冲频率为150 Hz时,材料的流动应力最小,伸长率最大。通过耦合脉冲电流参数的本构方程计算的流动应力值与试验数据吻合较好,能够准确预测1420铝锂合金在电致超塑性变形中流动应力的变化趋势。     

Ti80钛合金两相区高温变形本构模型及热加工图

为了确定Ti80钛合金热变形的最佳工艺窗口,采用Gleeble3500热模拟试验机对Ti80钛合金进行了高温压缩试验,试验变形温度为850~1050 ℃,应变速率为0.05~1 s^-1。结果表明,Ti80钛合金对变形温度和应变速率极其敏感,流变应力随着应变速率的增加和变形温度的降低而显著升高,近β区的流变应力分布会发生突变。应用线性回归方法,建立Ti80钛合金的高温本构方程,计算出Ti80钛合金在两相区的变形激活能为308 kJ/mol,并基于Prasad失稳准则,建立Ti80钛合金的热加工图,最终确定在变形温度为880~930 ℃的两相区变形条件下,Ti80钛合金在高应变速率下可以充分发生动态再结晶,从而获得理想的组织性能。     

基于BP神经网络Ti600合金本构关系模型的建立

运用Gleeble-1500热模拟机对Ti600合金的圆柱试样进行等温压缩变形试验,以试验所得数据（变形温度800~1100 ℃,应变速率0.01~10 s-1）为基础,基于BP神经网络方法建立了该合金的高温本构关系模型。结果表明：BP神经网络本构关系模型具有很高的预测精度,可以很好地描述Ti600合金在高温变形时各热力学参数之间高度非线性的复杂关系,为本构关系模型的建立提供了一种更加准确有效的方法。     

2060-T8铝锂合金电致塑性本构方程

进行了2060-T8铝锂合金不同温度、脉冲电流密度、占空比和脉冲频率的电辅助单向拉伸实验。研究表明:在实验研究的范围内,随着电流密度的增加,材料的变形抗力和断裂延伸率都会下降,占空比和脉冲频率对纯电致塑性没有影响。基于Johnson-Cook模型,引入电辅助特征,建立了耦合温度和脉冲电流参数的材料本构方程。利用该本构方程计算的结果与实验吻合的较好,说明所建立的材料本构方程能够准确的预测2060-T8铝锂合金在电辅助条件下的流动应力变化趋势。     

Ti600合金的高温变形本构关系

采用GW-1200A型控制器配合高温加热炉在WDW-300电子万能试验机上通过等温压缩实验研究了Ti600合金在温度为25?800℃、应变速率为10-4和10-3 s-1条件下的热变形行为,获得了该合金在变形过程中的真应力-真应变曲线,建立了该合金的高温本构关系。结果表明:Ti600合金在较高的温度(600和800℃)下流变应力随应变速率增大而增大,在较低温度(25和300℃)时变化不太明显。在一定的应变率条件下,随着温度升高流变应力降低。考虑到Ti600合金在不同温度下的真应力-真应变曲线随温度变化的发展趋势,建立了修正的井上胜郎高温本构关系,与实验结果对比验证了模型是可靠的。通过扫描电镜(SEM)观察发现,在室温准静态压缩条件下Ti600合金的断裂形式以脆性断裂为主,同时在局部区域出现韧性断裂特征。     

LZ50车轴钢高温拉伸变形行为及塑性损伤形成机理

为探究LZ50车轴钢的高温拉伸变形行为及塑性损伤形成机理,设计了不同的拉伸试件,在900～1100℃/0.1～10.0 s^-1的变形条件下进行了一系列高温拉伸试验,获得了LZ50车轴钢高温拉伸真应力-真应变数据,观察了拉断试件的损伤形貌。结果表明,LZ50车轴钢高温拉伸的峰值应力表现出对应变速率和应力三轴度的正敏感性以及对温度的负敏感性。应变速率为0.1和1.0 s^-1时,断裂应变随温度的升高先增大后降低,应变速率为10.0 s^-1时,断裂应变随温度的增加持续增加。应力三轴度增加44%时,断裂应变均值从0.3353降至0.1522,降幅达54.59%。LZ50车轴钢高温拉伸塑性损伤表现为夹杂损伤和晶界损伤两种,考虑夹杂损伤的位置,塑性损伤又可分为晶内夹杂损伤、晶界夹杂损伤和混合损伤。高温拉伸断口分为韧窝型断口和脆性解理型断口,其中RB6-1000℃-0.1 s^-1试样为脆性解理断裂。轧制LZ50车轴钢最佳的工艺参数为：RB6-1000℃-1.0 s^-1,为避免损伤的影响,应降低...     

Ti600合金的高温本构方程

采用热模拟压缩试验研究了Ti600合金在变形温度为800～1100℃、应变速率为0．001～10s^-1范围内应力一应变曲线的变化规律。研究结果表明：Ti600高温钛合金热变形的流变应力随温度的升高和应变速率的降低而减小；随着应变的增大，合金的真应力一真应变曲线在经历了明显的加工硬化阶段后达到最大值，然后渐渐出现流变“软化”现象。以经典的双曲正弦形式的模型为基础建立了Ti600合金热变形的本构方程，同时也通过对数据回归处理确定了合金不同温度下的应力指数n、应变激活能Q等数值。     

Ti600合金的高温本构方程

采用热模拟压缩试验研究了Ti600合金在变形温度为800～1100℃、应变速率为0.001～10s-1范围内应力-应变曲线的变化规律。研究结果表明:Ti600高温钛合金热变形的流变应力随温度的升高和应变速率的降低而减小;随着应变的增大,合金的真应力-真应变曲线在经历了明显的加工硬化阶段后达到最大值,然后渐渐出现流变“软化”现象。以经典的双曲正弦形式的模型为基础建立了Ti600合金热变形的本构方程,同时也通过对数据回归处理确定了合金不同温度下的应力指数n、应变激活能Q等数值。     

韧性断裂准则及损伤模型在冲裁有限元模拟中的应用研究

在冲裁有限元模拟中,韧性断裂准则的选择会对冲裁件断面质量与尺寸精度产生很大影响。为了获得符合实际的模拟结果,进而优化冲裁工艺,重点研究了一些常用的韧性断裂判定依据,并从物理学角度阐述了韧性断裂机制。基于试验的韧性断裂准则,考虑了变形历史中的应力应变关系,使用由反求法确定的临界值来判定韧性断裂的发生与否。基于连续损伤力学建立的损伤模型,考虑了变形过程中损伤累积对材料本构关系的影响,能够更准确地描述断裂过程。此外,还分析了冲裁有限元模拟中的关键技术,如采用任意拉格朗日欧拉方法来解决网格畸变问题,使用单元分裂、单元分离与单元删除等技术来处理裂纹的萌发与扩展。探讨了目前韧性断裂模拟中存在问题以及未来发展方向。