Constitutive modeling of trip steel and its application to the improvement of mechanical properties

The transformation-induced plasticity (TRIP) steel possesses such favorable mechanical properties as high work-hardening characteristics, tenacity and strength. The strain-induced martensitic transformation, however, strongly depends on the temperature and strain rate imposed, and an appropriate improvement of mechanical properties is realized under quite restricted circumstances. To obtain the required mechanical properties, a constitutive model which can suitably predict the deformation behavior including transformation under a wide range of deformation rate and temperature has been developed by employing Olson and Cohen's model for strain-induced martensitic transformation kinetics. Then, the deformation behavior of a SUS304 (18-8) cylinder has been simulated under different environmental temperature with different strain rates by the thermocoupled finite-element method accounting for the latent heat induced by martensitic transformation. The possibility of the improvement of such mechanical properties of the material as strength, ductility and toughness has been individually discussed.     

0Cr17Mn17Mo3NiN奥氏体不锈钢的热变形行为及热加工图

采用Gleeble-3500热模拟试验机研究0Cr17Mn17Mo3NiN奥氏体不锈钢在950~1 100℃,0.01~1 s^-1条件下的热变形行为。依据热压缩过程中0Cr17Mn17Mo3NiN奥氏体不锈钢的真应变-真应力曲线,确定了其在该热变形参数下的高温本构方程,并根据动态材料模型建立热加工图。结果表明,在相同的应变速率下,流变应力随着温度的升高而降低;而在相同的变形温度下,流变应力随着应变速率的减小而降低。0Cr17Mn17Mo3NiN奥氏体不锈钢的热变形激活能为549 kJ/mol。在980~1 050℃范围内,真应变为0.4,应变速率为0.01~0.1 s^-1时,能量耗散效率η值为0.28~0.3,0Cr17Mn17Mo3NiN奥氏体不锈钢容易发生动态再结晶。因此,该温度区域是最优的热加工工艺窗口。     

22MnB5热变形行为研究及本构方程建立

以22MnB5为实验材料,在500~950℃范围内和应变速率为0.01s-1、0.1s-1、1s-1的实验条件下,采用热模拟机Gleeble-1500对硼钢进行热拉伸实验,研究了不同变形条件下硼钢的热流变行为;对拉断后的试样断面进行组织分析,阐述了不同变形条件下硼钢的组织对热流变行为变化的影响。研究表明：硼钢的热变形行为属于典型的动态回复型,其流动应力随着温度的升高而减小,随着应变速率的增大而增大,且温度对流动应力的影响更显著;在500℃、应变速率0.01s-1的条件下,硼钢高温下的热力学行为与上述规律有所差别,其流变应力高于高应变速率下的流变应力。最后根据高温拉伸实验所得数据,构建了22MnB5热变形的本构方程,以此来描述硼钢高温下的热流变行为。     

正交各向异性有限变形下材料的粘塑性力学行为的研究

给出正交各向异性有限变形下的统一粘塑性理论中的 Walker模型的本构表达并成功地利用参数控制法(GPM方法 )对其进行数值计算 ,推导出 Walker模型的隐式应力积分过程。在计算的基础上 ,研究了温度、应变率对材料的应力应变关系的影响 ,以及蠕变 ,应力松弛 ,热恢复及循环塑性这些高温下材料的粘塑性力学行为。     

不同材料的室温单轴应变循环特性和棘轮行为研究

通过对U71Mn轨道钢和316L不锈钢室温下单轴应变控制和应力控制循环的实验研究，就两种材料的应变循环特性和棘轮行为进行研究和比较。讨论应变循环下应变幅值和平均应变的大小及其历史对应变循环特性的影响以及应力循环下应力幅值和平均应力的大小及其历史对棘轮行为的影响，同时还讨论了应变循环与应力循环间的交互作用。研究中着重对两种材料的循环特性进行比较，得到一些有助于进行合理本构描述的结果。     

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。     

10B06冷镦钢连铸坯的热压缩流变行为

利用MMS-200型热力模拟试验机研究了10B06冷镦钢连铸坯在750～1 100℃、应变速率为0.01～20s-1条件下的热压缩流变行为,并且通过线性回归确定了该钢的应变硬化指数以及热激活能,获得了其在变形条件下的流变应力本构方程。结果表明:该钢在热压缩变形时的流变软化行为是动态再结晶、动态回复与加工硬化联合作用的结果;当变形温度较低、应变速率较小时,软化效应以动态再结晶为主;而当变形温度较高、应变速率较大时,软化效应是动态再结晶和动态回复共同作用的结果;该钢的流变应力可采用Zener-Hollomon参数的函数来描述,其热激活能为220.132 3kJ.mol-1。     

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。     

考虑变形热和摩擦热效应的热力耦合冲压研究

以DP780材料为研究对象,在20~140 ℃温度区间、0.001~0.1 s-1应变速率区间内进行恒温拉伸试验,分析了真实应力-应变变化趋势,建立了基于Norton-Hoff模型的材料本构方程,该本构方程能够较好地表征DP780在冷成形过程中与温度相关的塑性本构关系。结合Norton-Hoff本构模型,以及与温度、压力相关的摩擦模型,采用理论研究与数值模拟结合的方式,研究DP780钢板变形热和摩擦热的自发热产生机理和宏观特征。根据完全热力耦合数值模拟理论,考虑将温度场和应力场、应变场等进行耦合分析,提出一种考虑变形热和摩擦热效应的冲压成形研究方法。通过U形件冲压试制试验,得到DP780钢板冷成形条件下的试验回弹结果。对比传统冷冲压模拟结果和考虑自发热效应研究方法下的模拟结果发现,考虑自发热效应的冲压成形模型在模拟侧壁时准确性提高了10.1%,在模拟法兰时准确性提高了23.2%。     

基于流变学理论的TRIP600钢本构模型研究

相变诱发塑性(Transformation induced plasticity,TRIP)钢在成形过程中容易发生开裂,主要是由于发生残余奥氏体向马氏体的转变,导致外力与变形不协调。其力学行为不仅有传统的弹性变形和塑性变形,还表现出与时间相关的黏性性质,因此在对其进行本构建模时有必要考虑时间因素对变形行为的影响作用。利用流变模型既可以通过不同构件的组合准确、合理地描述TRIP钢的软、硬相性质,还可以通过各个构件弹性、塑形及黏性系数的变化与组合描述TRIP钢在变形过程中残余奥氏体向马氏体转变的行为特性,即TRIP效应。本文基于流变学理论,对TRIP600的流变学本构模型进行研究和探讨,并最终建立TRIP600分别在蠕变和松弛试验条件下统一的本构方程。     

Elastic-plastic characterization of a high strength bainitic roller bearing steel—experiments and modelling

Monotonic and cyclic deformations were studied for a high strength bainitic roller bearing steel. The temperature of 75 °C corresponded to normal roller bearing conditions. The materials showed hydrostatic influence on yielding, but no or marginal influence of plastic deformation on density change. Therefore, a linear elastic constitutive model with pressure dependent yielding, non-associated flow rule, combined non-linear kinematic and isotropic hardening was necessary to characterize the cyclic behaviour. A stepwise process is detailed for determining the material parameters of the pressure dependent model, where particular attention was placed on the hardening parameters. One set of parameters was sufficient to describe all tested load ranges including compressive ratchetting. Some comparative tests were performed at room temperature, 150 °C and on martensitic specimens at 75 °C. The temperature influence was limited to the isotropic hardening parameters.     

惯性摩擦焊接钢管焊合区热塑性变形参量场的数值分析

根据金属塑性成形过程的大变形热弹塑性理论和虚功原理 ,建立了惯性摩擦焊接过程温度场、应力场及应变场的有限元热力耦合分析计算模型和有限元列式 ,并在给定边界条件下 ,解算了 34 Cr Mo4钢惯性摩擦焊接头动态温度场、应力场及应变场     

4Cr5MoSiV1热作模具钢的热变形行为与热加工图

利用Gleeble-3500型热模拟试验机对4Cr5MoSiV1热作模具钢进行单道次等温压缩试验,研究了其在变形温度750～1050℃,应变速率0.001～0.1 s-1条件下的热变形行为,并观察变形后的显微组织;根据试验得到的真应力-真应变曲线,构建了0.3真应变下的Arrhenius高温本构模型,并在动态材料模型基...     

25 Cr2 Ni2 MoV 钢焊接接头低周疲劳性能研究

对新型汽轮机焊接转子材料25Cr2Ni2MoV焊接接头及其母材进行应变控制的低周疲劳试验,并进行了相应的断裂位置统计和循环变形特征分析。试验结果表明,焊接削弱了焊接接头的疲劳强度,受到结构非均匀性和各部分力学性能的相对不匹配等因素的影响,焊接接头的断裂位置体现出明显的应变水平依赖性;焊接接头和母材在循环变形过程中均表现出循环软化特性,且存在明显的拉压不对称性,拉压不对称程度随应变水平的增加而增加;与母材相比,焊接接头表现出更加明显的平均应力松弛现象,且平均应力绝对值随着循环周次不断减小最后趋于常值。     

Computational evaluation of strain-rate-dependent deformation behavior of rubber and carbon-black-filled rubber under monotonic and cyclic straining

The molecular chain network model for elastic deformation behavior and the reptation theory for viscoelastic deformation behavior are used to derive a constitutive equation for rubber. The new eight-chain-like model contains eight standard models consisting of Langevin springs and dashpot to account for the interaction of chains with their surroundings. Monotonic and cyclic deformation behavior of rubber with relaxation under different strain rates have been examined. The results reveal the roles of the individual springs and dashpot, and the strain rate dependence of materials in the monotonic and cyclic deformation behaviors, particularly softening and hysteresis loss, that is, the Mullins effect, occurring in stress-stretch curves under cyclic deformation processes. The validity of the results is checked through comparison with experimental results. The deformation behaviors of a plane strain rubber unit cell containing carbon-black (CB) under monotonic and cyclic straining are investigated by computational simulation using the proposed constitutive equation and homogenization method. The results reveal the substantial enhancement of the resistance of CB-filled rubber to macroscopic deformation, which is caused by the marked orientation hardening due to the highly localized deformation of rubber. The role of strain rate sensitivity on such characteristic deformation behaviors as increases in the resistance to deformation, hysteresis loss, and the effects of the distribution morphology and the volume fraction of CB on the deformation behavior is clarified. The increases in the volume fraction and in the aggregation of the distribution of CB substantially raise the resistance to deformation and hysteresis loss.     

高强铝合金热塑性变形本构关系研究现状及发展趋势

高强铝合金热成形工艺条件下的变形行为表征,需要在考虑温度、应变速率及应变影响的基础上结合微观演化行为建立热塑性本构关系。总结了高强铝合金热塑性变形本构关系相关研究成果。研究结果表明：广泛应用的唯象本构模型通过修正模型参数可以充分耦合应变、温度及应变速率作用,并准确地预测不同变形条件下的流动应力,然而缺乏对变形机制的明确解释,使得唯象本构模型对试验温度、应变速率变化范围较大以及试验条件范围外的变形行为预测精度难以得到保证;基于物理意义的本构模型能够模拟位错密度、晶粒尺寸及动态再结晶等微观演化过程,对流动应力进行精确计算,展现了强大的宏微观变形预测能力,是高强铝合金热塑性变形本构关系的研究趋势。     

Al-1.04Mg-0.85Si-0.01Cu铝合金的热压缩变形行为

采用Gleeble-1500型热模拟试验机对Al-1.04Mg-0.85Si-0.01Cu铝合金进行热压缩试验,研究了其在300～500℃和0.001～1.0s-1应变速率下的热变形行为,并利用光学显微镜分析了其不同条件变形后的显微组织。结果表明:该合金的热变形行为可用双曲正弦形式的本构方程来描述;应变速率小于1.0s-1时,随温度升高和应变速率增加,合金的变形激活能提高,应变速率为1.0s-1时,变形激活能有所下降;计算得到该合金的热变形激活能为193.029kJ·mol-1,低于6061合金的变形激活能;该合金的热加工性能优良。     

基于变形特征值及特征状态参数的金属材料高温变形本构方程

基于变形特征值(σss,σp,εp,εr)及特征状态参数(LM,Z,erf,MTS参数),建立了一个描述金属材料高温变形的本构方程,包括高温变形过程方程和特征参数方程,并通过商业纯铝、无氧铜、超低碳钢的高温压缩试验,对该本构方程的计算准确度进行了验证。结果表明:使用该本构方程计算得到的纯铝和超低碳钢的高温变形结果与试验结果吻合性较好,其峰值应力计算值与试验值的相对误差均小于10%,但无氧铜的却达到了15%,模拟计算精度略低;该本构方程可用于预测纯铝和超低碳钢在热加工变形条件下的流变应力。     

25 Cr2 Ni2 MoV钢焊接接头循环变形行为的有限元模拟与分析

以25Cr2Ni2MoV汽轮机转子钢V形平板焊接接头为研究对象,考虑不同热影响区材料与母材的弹性模量比值、坡口角度及载荷特性（包括不同应力比、平均应力和应力幅值）等因素的影响,采用大型有限元软件ABAQUS和Chaboche循环本构模型对接头的循环变形行为、局部塑性变形分布及其随循环周次的演化特性进行了有限元模拟与分析。结果表明,随着热影响区材料与母材的弹性模量比值的增大,焊接接头整体抗拉和抗棘轮变形能力增强,发生局部破坏的可能性也随之增大;随着坡口角度的增加,焊接接头的抗拉性能和抗棘轮变形能力降低;应力比、平均应力和应力幅值越大,焊接接头越容易发生破坏。研究成果实现了对平板焊接接头结构及性能的初步优化,为提高该类焊接接头的设计水平提供了参考。     

TNTZ钛合金流变行为及物理基本构模型

借助Gleeble-3500热模拟机对Ti-29Nb-13Ta-4.5Zr(TNTZ)钛合金进行了变形温度为700~900 ℃、应变速率为0.001~1 s-1的等温恒应变速率压缩实验,分析了应变速率和变形温度对TNTZ钛合金流变应力的影响。根据实验数据,计算了不同变形条件下的温升值,分析了变形热产生的规律。综合考虑温度对材料自扩散系数和弹性模量的影响以及应变对合金流变应力的影响,通过多元线性回归拟合材料参数与应变之间的函数关系,构建了基于应变补偿的物理基本构模型。研究结果表明：TNTZ钛合金的流变应力随应变速率的增大而增大,随变形温度的升高而减小;变形热效应引起的温升与应变速率正相关,与变形温度负相关。通过应变补偿建立的物理基本构模型预测精度较高,模型相关系数R达0.964,平均相对误差为10.63%。