Modeling and Simulation for the Stress Relaxation Beha- vior of Ti-6Al-4V at Medium Temperature

应力松弛是钛合金在升高温度和加载条件下的一个显著特性,也是热校形和热处理的理论基础。因此研究了一种Ti-6Al-4V钛板在923~1023 K温度范围内、几种应变水平下的拉伸应力松弛行为。结果表明,应力松弛速率随着温度的升高而增加,材料中的残余应力经过一段时间之后趋向应力松弛极限;另外,在相同温度下,不同应力水平的应力松弛极限相同。进而,建立了一种描述应力松弛行为的显式三次延迟函数,本构精度高达97%,可用于工艺设计及理论分析。最后,基于应力松弛和蠕变的关系,提出了一种隐式蠕变型本构方程描述应力松弛行为,并将识别的材料参数输入ABAQUS,数值模拟了Ti-6Al-4V的热应力松弛行为,发现模拟的应力变化规律符合应力松弛曲线,证明了蠕变型本构方程对应力松弛模拟的适用性。     

Ti-6Al-4V热变形行为及利用多项耦合进行本构关系修正

采用热模拟试验机对钛合金Ti-6Al-4V进行高温压缩试验,研究其在850~1100 ℃温度下,0.001~0.1 s?1应变速率的流动应力行为。结果表明:钛合金Ti-6Al-4V具有应变速率、温度敏感性;随着温度的升高和应变速率的减小,流动应力逐渐降低,加工硬化速率与动态软化速率达到动态平衡。通过分析工艺参数对材料参数的影响,发现合金的材料参数(N、A、Q)随变形条件的变化而变化。在传统双曲正弦函数型Arrhenius方程的基础上提出一种考虑应变速率、温度和应变耦合修正的双曲正弦本构方程,并用相关系数R和平均相对误差(AARE)来评价所建立的本构模型的准确性,定量分析结果表明,修正的本构方程能够较准确地预测钛合金Ti-6Al-4V的流动应力。     

考虑高温再结晶Ti-6Al-4V合金的修正J-C本构模型

为了研究Ti-6Al-4V合金在高速切削下的真实流动应力-应变关系,针对当温度达到临界变化温度时,材料的流动应力会突然下降这一现象,建立了一种修正Johnson-Cook（J-C）本构方程。修正的J-C本构关系能够准确地描述加工温度范围内再结晶软化机制对材料流动应力的影响,预测结果与试验数据吻合良好,特别是在高温阶段,流动应力计算值与试验值误差在4%以内,正确地反映了Ti-6Al-4V合金各个温度下的真实流动应力变化。结果表明,修正后的J-C本构方程可以用于研究分析Ti-6Al-4V合金的流动应力特征与规律。     

钛合金动态本构关系的研究及应用

经典的Johnson-Cook本构模型不能很好地描述钛合金在高应变率下的力学性能。作者引入S型曲线定量描述β与ε·之间的关系,对经典Johnson-Cook本构模型进行了修正,并采用遗传算法快速确定本构关系中的各个待定参数。最后以Ti-6Al-4V合金为例,采用应力增量法作出不同应变率、不同温度下的真应力-真应变曲线。数值模拟结果与文献中的实验数据吻合得很好,表明修正的Johnson-Cook模型能够很好地描述Ti-6Al-4V合金在任意应变率、任意温度下的力学行为,这对预测材料在高应变率和高温下的力学行为具有重要工程意义。     

Ti-6Al-4V钛合金热拉伸变形行为与本构方程

在变形温度600℃⁸00℃、应变速率0.01s-1800℃、应变速率0.01s-1⁰.33s-1条件下进行热态单向拉伸试验,研究Ti-6Al-4V钛合金的变形行为,以及变形性能与变形温度、应变速率之间的关系。结果表明,Ti-6Al-4V钛合金在变形过程中呈现两种变形特征,即稳态形与软化形,且随着变形温度的升高、应变速率的降低,流动应力降低,而延伸率则升高;基于Hooke定律和Grosman方程建立的Ti-6Al-4V钛合金热态成形本构方程,在整个变形区间内可以很好的表征材料的变形行为。     

Ti6Al4V合金的高温短时蠕变本构关系与应力松弛行为

对Ti6Al4V合金在不同温度(650、700和750℃)、初始应力(100和150 MPa)和预应变(3.97%和15.87%)条件下进行多组应力松弛试验;研究Ti6Al4V合金高温下的应力松弛行为以及影响因素。利用应力松弛的试验数据推导出高温短时蠕变应变速率与应力的关系,对蠕变应变速率-应力曲线进行拟合,得到Ti6Al4V合金的高温短时蠕变本构方程。将高温短时蠕变本构关系代入有限元软件ABAQUS中对Ti6Al4V合金的应力松弛行为进行模拟。结果表明:Ti6Al4V合金的应力松弛可以分为两个阶段:第一个阶段应力松弛速率很快,剩余应力急剧降低,该过程时间为应力松弛的前250 s;第二个阶段应力松弛较为缓慢,经过2000 s后剩余应力趋向于某一极限值,即应力松弛极限。温度对Ti6Al4V合金应力松弛的影响显著,应力松弛随温度的升高而加快,且温度越高,应力松弛极限越小。初始应力和预应变越大,应力松弛极限越大,但是两者对应力松弛行为的影响不大。模拟结果与试验测得的应力松弛曲线具有很高的吻合度,验证了高温短时蠕变本构关系的可靠性。     

GH3536镍基变形高温合金的应力松弛行为与蠕变本构方程

对GH3536高温合金在变形温度为650、750和850℃和初应力为150、200和250 MPa条件下进行了多组应力松弛试验，研究了温度和初应力对GH3536高温合金应力松弛行为和松弛极限的影响，分析了应力松弛行为的特点。采用三次延迟函数对试验获得的松弛曲线进行了拟合，推导出蠕变应变速率与应力的关系，并基于分段蠕变本构方程对蠕变应变速率-应力曲线进行了拟合，并确定了方程中的材料常数。将蠕变本构方程代入ABAQUS有限元软件中对GH3536高温合金的应力松弛过程进行了模拟。结果表明，模拟数据与试验数据吻合较好，表明建立的蠕变本构方程可很好地描述GH3536高温合金在相应条件下的应力松弛行为。     

基于修正Johnson-Cook模型的钛合金热黏塑性动态本构关系及有限元模拟

为了准确描述钛合金在高应变率、高温载荷下的热粘塑性本构行为,以及因材料内部出现绝热剪切带而导致材料流变应力减小的定量关系,构造功热转换系数β与应变率?(5)之间的函数关系,提出一种基于修正Johnson-Cook模型的钛合金热粘塑性动态本构关系,并通过以最小二乘法为目标函数的局部搜索优化算法,对基于实验数据的本构参数进行快速优化识别。最后利用应力补偿更新算法,通过显式用户子程序VUMAT将热黏塑性本构模型嵌入ABAQUS软件中,得到Ti-6Al-4V钛合金在不同应变率、温度条件下的单轴动态应力-应变曲线。数值模拟结果与实验数据吻合良好,表明该修正模型能准确描述钛合金高应变率下的热黏塑性变形,可适用于各种应变率下钛合金本构行为的描述。     

Hastelloy C-276合金应力松弛试验及蠕变本构方程

对Hastelloy C-276合金分别在不同的温度(750、800、850和900℃)和相应的初始应力(250、250、250和200 MPa)条件下进行了多组应力松弛试验。利用试验测得的应力松弛曲线推导出应力松弛过程中蠕变应变速率与应力之间的关系,建立用于描述Hastelloy C-276合金应力松弛行为的蠕变本构方程,通过对蠕变应变速率—应力曲线进行拟合,得到各温度下蠕变本构方程中的材料常数。将蠕变本构方程带入有限元软件MSC.Marc对Hastelloy C-276合金的应力松弛过程进行模拟,模拟得到的应力松弛曲线与试验测得的应力松弛曲线符合得很好,验证蠕变本构方程的可靠性。     

应用智能方法建立Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金的本构关系(英文)

利用Thermecmastor-Z热模拟机进行Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V钛合金在不同工艺参数(变形温度800,850,900,1000,1050°C,应变速率0.01,0.1,1,10s-1)条件下的热模拟压缩试验,研究变形温度和应变速率对Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V钛合金流变应力的影响。以试验数据为基础,应用BP神经网络算法原理,建立该合金的高温流动应力与变形温度、应变和应变速率对应关系的高温本构关系预测模型。结果表明,运用神经网络方法建立的Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V钛合金本构关系模型具有较高的预测精度,与试验结果吻合良好。此外,运用Visual Basic可视化编程语言设计并开发了具有神经网络功能的用户界面。     

Ti-6Al-4V钛合金热成形极限图及其应用

在650℃、700℃和750℃温度条件下进行Ti-6Al-4V钛合金成形极限试验,建立其热态成形极限,在此基础上,利用ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟,对Ti-6Al-4V钛合金热态成形的破裂缺陷进行预测,并通过试验对其结果进行验证。研究结果显示,随着温度的升高,Ti-6Al-4V钛合金的热成形极限增加,有限元分析结果与试验结果相吻合,表明该文所建立的韧性断裂预测模型具有工程参考价值。     

Ti-6Al-4V高强钛合金的热拉深成形

采用模内加热的方式,研究了不同加热温度和工艺条件下0. 8 mm厚Ti-6Al-4V高强钛合金板的拉深成形情况,探讨了不同因素对Ti-6Al-4V高强钛合金薄板的拉深成形影响。结果表明:温度是影响Ti-6Al-4V高强钛合金板拉深成形的关键因素,随着温度的升高,材料的拉深性能提高,在800℃时,极限拉深比达到最大值,较临界拉深温度300℃时的极限拉深比提高了45. 86%,极限拉深尺寸提高了45. 45%;随着温度的升高,拉深件的减薄率降低,厚度更加均匀。此外,压边力、润滑条件和冲压速度的变化对Ti-6Al-4V高强钛合金板的成形情况也具有较大影响。     

粉末冶金TiAl基合金高温变形行为及其本构模型

采用Gleeble-3800热模拟机研究粉末冶金Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B(摩尔分数,%)合金在变形温度为1 100～1 250 ℃、应变速率为10-3～100 s-1和变形率为50%条件下的高温变形行为.结果表明:Ti-47Al-2Cr-2Nb- 0.2W-0.15B合金在高温变形初始阶段,流动应力随应变的增加迅速增加;当应变超过一定值后,流变应力开始下降并逐渐趋于稳定,出现稳态流动特征;随着形变温度的升高和应变速率的增加,合金高温变形时的峰值应力和稳态应力显著降低.利用热模拟压缩实验数据,基于Arrhenius 方程和Zener-Hollomon参数,运用多元回归分析方法建立Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W-0.15B合金在高温变形过程中的流变应力本构模型.应用DEFORMTM 3D软件验证该流变应力本构模型的有效性,结果表明所得高温流变应力本构模型能够较好地预测Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2W- 0.15B合金的高温变形行为.     

置氢Ti-6Al-4V钛合金的热压缩变形行为研究

通过热模拟压缩实验,研究了氢对Ti-6Al-4V钛合金热变形行为的影响。结果表明,置氢可以显著降低Ti-6Al-4V钛合金高温压缩时的流动应力,提高Ti-6Al-4V钛合金的热加工变形速率一个数量级以上,并且明显降低了Ti-6Al-4V钛合金的变形温度。在变形温度760℃~800℃范围内,置氢量为0.4wt%的Ti-6Al-4V钛合金的流动应力最小;在变形温度840℃~920℃范围内,置氢量0.2wt%的Ti-6Al-4V钛合金的流动应力最小。同时,置氢前后Ti-6Al-4V钛合金的变形激活能计算结果表明,置氢量为0.4wt%的Ti-6Al-4V钛合金在α+β两相区的变形激活能为208.3kJ/mol,与未置氢Ti-6Al-4V钛合金相比降低了316kJ/mol。     

Ti-6Al-4V叶片楔横轧制坯热力耦合数值模拟与实验研究

根据叶片特点,提出楔横轧成形Ti-6Al-4V叶片新工艺。首先通过热模拟实验对Ti-6Al-4V钛合金进行热模拟实验,获取Ti-6Al-4V的热变形本构方程,采用有限元软件Deform-3D对其成形过程进行热力耦合数值模拟,分析成形过程中的金属流动、温度以及应力、应变分布规律。结果发现:在Ti-6Al-4V钛合金成形过程中,轧件不同位置的金属流动速度不同,表面点金属流动快,心部点流动慢;从轧件温度的变化趋势来看,在轴向,由轧件中间对称面逐渐向两端减小,在轧件径向,温度从心部到表面逐渐减小;在展宽段3个方向上分别受到1.5,2和5 k N的力,轧制过程中最大轧制力矩为4500 N·m。最后通过H500楔横轧机对Ti-6Al-4V叶片进行了实验验证,表明采用楔横轧工艺预成形Ti-6Al-4V叶片是可行的。     

基于位错理论的TC4钛合金的动态本构模型与数值模拟

为描述Ti-6Al-4V(TC4)两相钛合金在高应变率、高温载荷条件下的复杂力学行为,基于细观塑性变形机理和位错动力学理论,从细观尺度构建一种两相钛合金粘塑性本构模型,并阐释各本构参数与微结构特征量之间的关联及其表征的物理意义。为确定本构参数并提高参数的识别效率与精度,提出一种基于拉丁超立方抽样、Spearman秩相关分析的参数敏感度整体分析方法,并在参数敏感度分析结果和基本遗传算法的基础上,建立基于改进小生境算法、可疑峰值点判断策略和局域精确搜索技术的改进遗传算法,得到了TC4两相钛合金的本构参数。采用应力补偿更新算法,通过显式用户子程序接口VUMAT将两相钛合金本构模型嵌入ABAQUS有限元软件中,实现了钛合金在高应变率、高温条件下动态本构行为的数值模拟。对比模拟结果与实验数据发现,所构建的本构模型描述材料高应变率条件下力学行为的准确性优于Johnson-Cook模型的。     

置氢对Ti-6Al-4V合金高温塑性变形的影响

利用XRD分析了置氢Ti-6Al-4V合金的相组成,应用Gleeble等温热模拟试验研究了置氢量对Ti-6Al-4V合金高温塑性变形的影响,计算了不同置氢量钛合金的变形激活能。结果表明：随置氢量的增加,Ti-6Al-4V合金口相含量增加,高温塑性变形的流动应力显著降低呈下凹型曲线变化,即存在一个最小值,应力最小值对应的置氢量随变形温度的升高而降低;置氢可以促进高温塑性变形过程动态软化与硬化的平衡;在相同应力水平下,适量的置氢可使变形温度降低50℃,或应变速率提高一个数量级。置氢Ti-6Al-4V合金变形激活能随置氢量增加呈下降趋势,变形由不受扩散机制控制转变为受扩散机制控制。     

粉末冶金Ti-22Al-25Nb合金高温变形本构模型

研究了粉末冶金方法制备的Ti-22Al-25Nb合金在变形温度940～1060℃和应变速率0.001～1.0 s~(-1)下的热变形行为。采用双曲正弦函数Arrhenius建立了该合金在高温变形条件下的本构方程。通过六次多项式拟合,将应变量耦合到建立的高温本构方程中,构建了带有应变耦合的本构方程。结果表明:Ti-22Al-25Nb合金的流变应力随着应变速率的增加而增大,随温度的升高而减小,同时出现不连续屈服现象。采用六次多项式拟合得到α、n、Q、ln A的应变耦合函数,建立修正的双曲正弦型Arrhenius方程。该方程预测应力精度达到97.6%。     

TA32钛合金高温应力松弛行为及其对应的本构方程

在不同温度（775℃,800℃,825℃）、不同初应力（150MPa、200MPa）和不同预应变（7.85%、15.7%）下进行TA32钛合金高温应力松弛实验,研究了工艺参数对应力松弛行为的影响。对实验后的试样进行微观组织观察,分析了温度对微观组织的影响。利用二次延迟函数对应力松弛曲线进行拟合,推导得到高温蠕变本构方程,进而将其应用于TA32钛合金应力松弛行为有限元模拟。结果表明：在应力松弛的前200s,应力松弛速率很快,其应力急剧下降,经过3600s后应力逐渐趋于平缓并最终达到松弛极限。应力松弛行为随着温度的升高而加快,但其松弛极限随之减小,初应力和预应变则对其影响不大。随着温度的升高晶粒发生了等轴化和长大现象,塑性增强。模拟结果和应力松弛的实验曲线有较高的吻合度,验证了此蠕变方程的可靠性。     

TA32钛合金高温应力松弛行为及其对应的本构方程（英文）

在不同温度(775、800、825℃)、不同初应力(150、200 MPa)和不同预应变(7.85%、15.7%)下进行TA32钛合金高温应力松弛实验,研究了工艺参数对应力松弛行为的影响。对实验后的试样进行微观组织观察,分析了温度对微观组织的影响。利用二次延迟函数对应力松弛曲线进行拟合,推导得到高温蠕变本构方程,进而将其应用于TA32钛合金应力松弛行为有限元模拟。结果表明:在应力松弛的前200 s,应力松弛速率很快,其应力急剧下降,经过3600 s后应力逐渐趋于平缓并最终达到松弛极限。应力松弛行为随着温度的升高而加快,但其松弛极限随之减小,初应力和预应变则对其影响不大。随着温度的升高晶粒发生了等轴化和长大现象,塑性增强。模拟结果和应力松弛的实验曲线有较高的吻合度,验证了此蠕变方程的可靠性。