Effects of Strain Rate and Temperature on Mechanical Property of Nickel-based Superalloy GH3230

对航空发动机用新型镍基高温合金GH3230在不同温度和应变速率下进行了高温拉伸-断裂试验,分析了应变速率和温度对该合金高温力学性能的影响。结果表明,随着应变速率的增加和温度的下降,合金的塑性流动应力有所提高,加工硬化指数下降。从流变应力、应变速率和温度的相关性,得到应变速率敏感系数是一个独立于温度的常量,并计算出GH3230合金的变形激活能=441 kJ/mol。GH3230合金的热变形温度在1273 K左右时,合金在变形过程中能够充分再结晶,并得到晶粒细小、均匀的组织。SEM断口分析表明GH3230合金在高温下（1144~1273 K）应变率范围为10-3~10-1 s-1时的拉伸断裂都是由损伤引起的韧性断裂,且温度对断口形貌影响不大,但应变速率增大会使韧窝尺寸和深浅变小。     

基于应变补偿和修正项的新型铝锂合金温热变形本构模型

采用UTM5000电子万能拉伸试验机,在变形温度573~648K和应变速率0.001~0.1s-1条件下对2060-T8铝锂合金进行等温恒应变速率拉伸试验,得到其在变形过程中的真应力-真应变曲线,建立了基于应变补偿和修正项的温热变形本构方程。通过扫描电子显微镜(SEM)分析拉伸断口,对2060-T8铝锂合金的温热变形行为进行研究。结果表明：2060-T8铝锂合金对变形温度和应变速率具有较高的敏感性,流变应力曲线呈现出应变硬化和流变软化的特征,随着变形温度的升高和应变速率的降低,稳态流变特征逐渐消失,其在温热变形条件下的断裂形式为韧性断裂。修正的本构模型与实验值吻合度较高,可以为2060-T8铝锂合金温热变形的有限元模拟提供前提条件。     

GH3230合金高温热变形行为及微观组织变化

通过热压缩实验,研究了GH3230合金在温度950～1220℃和应变速率0. 1～10 s~(-1)条件下的高温热变形行为,构建了高温变形抗力数学模型,并分析了微观组织的变化。结果表明:随着应变速率的增加和变形温度的降低,材料的高温变形抗力增大;变形温度的提高和应变速率的增加有利于动态再结晶的发生和动态再结晶晶粒的长大; GH3230合金高温变形抗力可用Zener-Hollomon参数的高精度双曲正弦函数描述,其中热变形材料常数为:A=1. 22279×1028,n=8. 64987,α=0. 00284,平均变形激活能Q=742. 335 k J·mol~(-1);对于GH3230合金,采用高温和低应变速率可以获得优良的热加工等轴晶粒组织和低的加工变形抗力。     

Al-Cu-Mg-Sc合金的高温流变本构关系研究

利用ETM105D型拉伸实验机对Al-Cu-Mg-Sc合金进行单轴热拉伸实验。研究了变形温度为250～450℃和应变速率为10~(-4)～10~(-1)s~(-1)下Al-Cu-Mg-Sc合金的高温流变变形行为。采用Zener-Hollomon参数法构建该合金的高温流变本构关系。结果表明:该合金的真应力-真应变曲线不是典型的动态回复曲线,在很小的应变下达到峰值应力,之后流动应力先缓慢下降后明显下降,直至断裂,其中由于软化现象存在一个应力减少量。通过线性拟合计算Al-Cu-Mg-Sc合金的结构因子A=3.085×10~(18)s~(-1),应力指数n=4.75325及变形激活能Q=257.4 k J/mol,获得其在高温拉伸条件下用Z参数表达的流变应力本构方程。     

新型铝锂合金温热拟静态拉伸实验及其流变应力的预测计算

采用UTM5000电子万能拉伸试验机,在变形温度573～648 K和应变速率0.001～0.1 s~(-1)条件下对2060-T8铝锂合金进行等温恒应变速率拉伸试验,得到其在变形过程中的真应力-真应变曲线,建立了基于应变补偿和修正项的温热变形本构方程。通过扫描电子显微镜(SEM)分析拉伸断口,对2060-T8铝锂合金的温热变形行为进行研究。结果表明:2060-T8铝锂合金对变形温度和应变速率具有较高的敏感性,流变应力曲线呈现出应变硬化和流变软化的特征,随着变形温度的升高和应变速率的降低,稳态流变特征逐渐消失,其在温热变形条件下的断裂形式为韧性断裂。修正的本构模型与实验值吻合度较高,可以为2060-T8铝锂合金温热变形的有限元模拟提供前提条件。     

挤压态Mg-3Al-3Zn-1Ti-0.6RE镁合金的高温拉伸变形行为

研究了热挤压态Mg-3Al-3Zn-1Ti-0.6RE镁合金的高温拉伸变形行为和微观组织演变,分析了该合金在温度为623~723 K,应变速率为10~(-4)~10~(-2) s~(-1)条件下的流变应力随温度和应变速率的变化,归纳了温度、应变速率与流变应力的关系。研究结果表明:温度和应变速率是影响流变应力的主要因素,在变形过程中,流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而减小。在本实验条件下,该合金的变形本构方程可用双曲正弦函数ε=A[sinh(ɑσ)]~nexp(-Q/RT)来描述,应力指数n=3.286,激活能Q=238 k J/mol,表明该合金的高温塑性变形机制主要是位错滑移和攀移。     

M35高速钢的热塑性行为

利用Gleeble-1500热模拟试验机进行热拉伸试验,研究了变形温度在950~1150℃范围内,变形速率为0.1 s~(-1)、1 s~(-1)时M35高速钢热塑性行为及断裂机理。结果表明:M35高速钢在试验条件下具有优异的高温塑性,峰值应力随变形温度升高线性下降,随应变速率增加相应升高。热拉伸过程中断裂机制都为韧性断裂,变形温度低于1100℃时断口呈韧窝状,随着温度升高韧窝直径变大、深度增加;变形温度高于1100℃时断口呈沿晶断裂。高温拉伸过程中,碳化物的大小、分布对M35高速钢的热塑性有明显影响。     

汽车用5182铝合金温变形行为及组织

通过单向温拉伸试验以及扫描电镜和透射电镜观察,研究了汽车用5182铝合金板在变形温度为323~573 K,应变速率为0.001~0.1 s-1条件下的流变行为及微观组织。结果表明,在变形温度≥448 K、应变速率.ε=0.001 s-1条件下,5182合金出现明显的峰值应力,而当应变速率0.01~0.1 s-1时,合金的流变应力呈现稳态;当应变速率.ε=0.001 s-1时,随着变形温度的升高,合金单向温拉伸断口由典型的混合型断裂特征演变成典型的韧性断裂特征,合金产生了动态再结晶。     

铸态GH2132合金热变形行为和热加工图EI北大核心CSCD

利用Gleeble−3500热模拟机的热压缩实验,研究了铸态GH2132合金在变形温度为1173~1423 K和应变速率为0.001~10 s^(−1)条件下的热压缩变形行为和微观组织演化规律,分析该合金在不同变形条件下的热变形激活能Q值、应变速率敏感指数m值、温度敏感指数s值的变化规律,基于动态材料模型(DMM)建立热加工图,结合微观组织确定出最佳热加工参数。结果表明:随着变形温度的升高、应变速率的降低,流变应力减小,GH2132合金为应变速率和温度敏感型材料。提高变形温度、降低应变速率有利于获得均匀分布的等轴晶粒。结合热加工图和高温变形微观组织确定,铸态GH2132合金合理的热变形参数所对应的变形温度和应变速率区间分别为1295~1418 K和3.07~10 s^(−1)。     

A356.2铝合金高温拉伸本构行为研究

从低压铸造后的A356.2铝合金铸旋轮毂的旋压坯料中取样,利用电子万能试验机进行高温拉伸试验,研究应变速率在0.0001~0.1 s~(-1),变形温度在573~673 K范围内该合金的高温拉伸流变行为。使用光学显微镜分析低压铸造后的原始铸态组织与拉伸断口处的显微组织。结果表明应变速率与变形温度对该合金的流变行为有显著影响,流变应力随温度的降低与应变速率增加而上升;伸长率随变形温度的升高和应变速率的减小而增大。变质处理后的A356.2铝合金中共晶体与α-Al枝晶分布均匀,共晶硅呈点状或蠕虫状。温度为573 K时的拉伸断口附近的金相组织没有发生明显变化,而673 K时的拉伸断口处的金相组织呈现出明显的塑性变形现象。A356.2铝合金的高温拉伸流变行为可以用Zener-Hollomon参数模型描述。通过线性回归计算出变形激活能Q=317.43 k J·mol~(-1),材料常数A=1.558×1023 s~(-1),n=7.94,α=0.0165 MPa~(-1),得出A356.2铝合金Arrhenius方程;利用双曲正弦模型建立了高温拉伸条件下的流变应力本构模型。     

应变速率对TC4-0.55%Fe合金在模拟海水中应力腐蚀行为的影响

通过电化学测试、慢应变速率拉伸试验(SSRT)并结合扫描电镜(SEM)分析了TC4-0.55%Fe合金在模拟海水中的应力腐蚀开裂(SCC)行为,揭示了应变速率(3.3×10~(-6) s~(-1)~10.0×10~(-6) s~(-1))对合金SCC行为的影响。结果表明:合金在模拟海水中具有应力腐蚀开裂敏感性;当应变速率为5.0×10~(-6) s~(-1)时,合金在模拟海水中的断口中心区域形貌以细小扁平韧窝为主,塑形变形不充分,呈现出脆性特征,表现出最高的应力腐蚀敏感性。当应变速率大于6.6×10~(-6) s~(-1)时,合金的断口由小而浅的韧窝向大而深的韧窝过渡,由此说明,高应变速率下,拉应力作用使试样迅速断裂,合金应力腐蚀敏感性较小,断口处有明显韧窝,表现出典型的韧性断裂特征。     

Ti14合金半固态压缩中的应力松弛现象和变形机制的研究

利用Gleeble1500热/力模拟机对Ti14合金进行了半固态压缩变形试验,研究了该合金在应变速率为5×10-2s-1和5×10-1s-1,变形温度为1273~1423K条件下的流变应力变化规律,分析了该合金半固态下应力松弛发生的条件和原因,并讨论了温度、应变速率和变形机制之间的耦合关系。结果表明:温度和应变速率对流变应力有显著的影响,流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低,宏观应力松弛发生在固相含量区间为0.95~0.98,主要是因为液相的增加减少了晶粒间的"固相桥"作用。由于液相在变形中的渗漏,Ti14合金在1273~1423K半固态变形的应变速率试验值远远小于Iwasaki润滑流动机制(固液混合变形机制)所需的理论值,说明在所测试的半固态区间内合金仍以固相粒子变形为主,固液混合变形为协调机制。     

Ti_3Al基合金的热变形行为及本构方程

采用DDL50高温电子万能试验机对Ti_3Al基合金进行等温恒应变速率拉伸试验,研究了该合金在热变形温度900~1020℃,应变速率2×10~(-4)~2×10~(-2)s~(-1)范围内的高温热变形行为。结果表明:Ti_3Al基合金的流变应力在应变速率一定时,随温度的升高而减小,在温度一定时,随应变速率的升高而增大,流变应力在达到峰值后开始逐渐降低,呈软化现象;应变速率越高,Ti_3Al基合金的软化越明显。依据高温拉伸试验得到的真应力-真应变曲线关系,计算得出了Ti_3Al基合金热变形激活能为472.7992 k J·mol~(-1)。建立了Ti_3Al基合金热变形的双曲正弦形式的本构方程和Zener-Hollomon参数方程。     

23CrNi3Mo钢热塑性行为及断裂机理

利用Gleeble-1500热模拟机进行热拉伸实验,研究了变形温度800~1200℃和应变速率0.002~20 s-1范围内23CrNi3Mo钢热塑性行为及断裂机理。结果表明:23CrNi3Mo钢具有优异的高温塑性。不同的变形温度下,峰值应力随温度线性降低,而随应变速率的增加峰值应力升高。应变速率2 s-1时,热拉伸过程中,高温断裂机制为韧性断裂,断口呈韧窝形貌。随着温度的升高,韧窝直径变小而深度增加。变形温度1050℃时,随应变速率的降低,断裂机制由韧性断裂转变为脆性断裂。应变速率高于0.2 s-1时,断口呈韧窝形貌;而应变速率低于0.2 s-1时,断口呈沿晶断裂形貌。高温拉伸断裂过程中,夹杂物的存在对裂纹的萌生与扩展有一定的影响作用。     

GH696合金动态再结晶模型

采用热模拟压缩试验研究GH696合金在变形温度为880~1020℃、应变速率为0.01~10.0 s~(-1)、变形程度为30%~60%条件下的高温变形行为。采用金相显微镜对GH696合金高温压缩变形后的显微组织进行观察。结果表明:较高的变形温度和较低的应变速率有利于GH696合金的动态再结晶。采用加工硬化率-流动应力曲线确定GH696合金的动态再结晶临界应变,应用Avrami方程建立GH696合金的动态再结晶体积分数模型,并根据合金的金相定量试验结果建立GH696合金的动态再结晶晶粒尺寸模型。     

42CrMo高温塑性损伤机理及损伤模型

以42CrMo钢为研究对象,在Gleeble-1500D热模拟试验机上进行高温拉伸实验,研究了变形温度为900℃、950℃、1 000℃、1050℃、1100℃、1150℃,应变速率为0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10s-1条件下的高温变形行为,采用Gleeble Fracture Limit(GFL)方法得到相应的应力、应变参数,基于Normalized CockcroftLathamm损伤模型,计算得到不同变形温度和不同应变速率时的临界损伤值,考虑变形温度和变形速率对临界损伤值的影响引入了Zener-Hollomon参数,得到临界损伤值与lnZ值之间的高温损伤模型。采用扫描电镜对拉伸断口进行断口形貌观察,发现大量韧窝及夹杂物的存在,分析得到该断裂机制为韧性断裂。     

TA32钛合金板材的超塑性能研究

研究了真空环境中TA32钛合金板材在温度950℃、应变速率5. 32×10~(-4)～2. 08×10~(-2)s~(-1)条件下的超塑性变形行为。结果表明,在不同应变速率条件下,合金的流变应力曲线特征和显微组织演变显著不同。在应变速率较低(5. 32×10~(-4)～3. 33×10~(-3)s~(-1))条件下,拉伸真应力-真应变曲线呈传统超塑变形的稳态流动特征,变形后的合金中初生α相晶粒尺寸较大;在高应变速率(8. 31×10~(-3)s~(-1)～2. 08×10~(-2)s~(-1))条件下,拉伸真应力-真应变曲线中流变应力增大到峰值后快速单调递减直至试样断裂,合金变形过程中初生α相发生动态再结晶,晶粒尺寸较低应变速率条件下显著细化。950℃时,TA32钛合金板材均具有超塑性变形能力,超塑性延伸率在145%～519%之间;当应变速率为5. 32×10~(-4)s~(-1)时,具有最佳的超塑性,拉伸延伸率可达519%。断裂区形貌分析发现,TA32钛合金板材的超塑性断裂模式为空洞聚集-连接-长大型断裂。     

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。     

Ti14合金半固态压缩中的应力松弛现象和变形机制的研究

利用Gleeble 1500热/力模拟机对Ti14合金进行了半固态压缩变形试验,研究了该合金在应变速率为5×10-2 s-1和5×10-1 s-1,变形温度为1273～1423 K条件下的流变应力变化规律,分析了该合金半固态下应力松弛发生的条件和原因,并讨论了温度、应变速率和变形机制之间的耦合关系.结果表明:温度和应变速率对流变应力有显著的影响,流变应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而降低,宏观应力松弛发生在固相含量区间为0.95～0.98,主要是因为液相的增加减少了晶粒间的“固相桥”作用.由于液相在变形中的渗漏,Ti14合金在1273～1423 K半固态变形的应变速率试验值远远小于Iwasaki润滑流动机制(固液混合变形机制)所需的理论值,说明在所测试的半固态区间内合金仍以固相粒子变形为主,固液混合变形为协调机制.     

6014铝合金板材温拉伸本构方程

采用DDL50高温电子万能试验机,在变形温度为298~573 K、应变速率为0.0001~0.01 s-1时,针对6014铝合金薄板进行温拉伸实验研究,基于FieldsBackofen本构方程进行修正,建立了6014铝合金的温拉伸本构模型以描述6014铝合金温拉伸时的流变行为。结果表明:相同应变速率下,随着温度升高,6014铝合金的流变应力降低,伸长率先增加后下降,并且当温度为473 K时,伸长率达到最大值。通过断口扫描电镜照片分析了6014铝合金在473和573 K时断裂过程的差异,温度为473 K时,断口韧窝大且深,表现为典型的韧性断裂,而温度为573 K时,韧窝小且浅,表现为脆性断裂,从微观角度解释了不同温度下伸长率的差异。