细晶T2纯铜动态力学性能及本构模型

晶粒大小是影响多晶金属材料力学性能的重要因素之一,研究细晶T2纯铜在高温、高应变率下的动态力学性能并建立其本构模型对切削加工有着重要意义。通过电子力能测试仪进行T2纯铜试样准静态压缩试验,并利用霍普金森压杆装置完成了不同应变率和不同温度的动态压缩试验。试验结果表明,纯铜材料具有明显的应变强化效应和温度软化效应,其动态压缩下的强度高于准静态压缩,但在高应变率区域内,并无明显的应变率强化效应。基于Johnson-Cook本构模型得到了细晶T2纯铜本构方程参数,拟合曲线与试验结果吻合较好。     

GH4169高温合金的动态力学行为及其本构关系

采用材料试验机对GH4169高温合金光滑试样与缺口试样进行应变速率为0.000 1～0.010 0s-1下的室温准静态拉伸试验,再利用分离式霍普金森拉、压杆装置进行温度为20～400℃、应变速率为1×102～4×103 s-1下的动态拉伸、压缩试验,得到准静态和动态下的真应力-真应变曲线与失效应变;根据试验数据,采用分步拟合法确定了Johnson-Cook材料模型和失效模型参数,基于Johnson-Cook模型对动态压缩行为进行模拟,并进行试验验证。结果表明:GH4169高温合金的屈服强度随应变速率的增大而增大,随试验温度的升高而降低,该合金具有应变速率强化效应和温度软化效应;模拟结果与试验结果吻合得较好,真应力-真应变曲线的最大相对误差为5.91%,表明经修正后的Johnson-Cook模型可较好地描述GH4169高温合金的动态力学行为。     

基于J-C模型的GH907高温合金动态本构关系及失效关系

使用万能材料试验机、霍普金森拉杆和霍普金森压杆装置研究了航空发动机机匣材料GH907高温合金在常温下的准静态力学性能及20～400℃下的动态力学性能;基于试验结果,拟合得到Johnson-Cook(J-C)本构模型和失效模型参数,并对试验合金动态压缩过程进行模拟以验证本构模型参数的有效性.结果表明:常温下在0～3000 s-1应变速率范围内拉伸时,试验合金具有明显的应变速率效应,但是压缩时对应变速率不敏感;在20～400℃温度范围内,试验合金的软化效应明显;建立的J-C模型能够较为准确地预测该合金在不同温度和应变速率下的力学行为,试样几何尺寸和最大应力的仿真结果与试验结果的相对误差在2％以内.     

7N01铝合金材料力学性能研究

采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对典型车用的7N01铝合金材料进行准静态拉伸试验和不同应变率下的动态压缩试验。输出载荷-变形量关系,获得应力-应变曲线,进而分析材料的极限强度、屈服强度、延展率和应变率敏感性等力学性能,为轨道交通车辆的设计研究奠定基础。     

7075铝合金动态试验及其本构关系研究

以7075-T651铝合金为试验对象,应用SHPB技术,结合理论分析,研究了温度和应变率对材料动态力学性能的影响;根据准静态、常温和高温等三种条件下动态试验数据拟合得出了材料的动态本构方程,为航空产品设计和制造过程材料力学性能模型的建立提供了有益参考。     

冲击载荷下橡胶的力学性能研究

对半圆形橡胶垫进行准静态试验,基于一阶Ogden模型拟合准静态橡胶参数。对橡胶试件进行5个应变率下的单轴压缩试验,通过插值拟合编写考虑不同应变率橡胶材料参数的子程序。使用准静态橡胶参数和考虑不同应变率下橡胶参数分别对转向管柱进行落锤冲击仿真分析。结果表明:不同应变率下,橡胶参数能够准确地表现出橡胶材料在受到冲击载荷下的力学性能。     

Ti-6Al-4V动态力学性能与本构关系研究

采用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对钛合金(Ti-6Al-4V)进行动态压缩试验，获得不同温度和应变率的真实应力—应变曲线，分析了钛合金在应变率2000/s～10000/s、温度20℃～800℃范围内的动态力学性能，通过试验数据拟合得到Johnson-Cook(J-C)本构方程。试验研究结果表明，常温(20℃)条件下Ti-6Al-4V具有明显的应变和应变率强化效应，同时应变和应变率强化效应逐渐减弱，800℃时几乎没有应变和应变率强化效应；随着温度的提高，不同应变率的应力均近似线性下降，表现出明显的热软化效应；在应变硬化和热软化耦合作用下，试样剪切区产生绝热剪切破坏；所得的J-C本构模型较好地拟合了真实应力应变值及变化趋势。     

冲击载荷下20CrMnTi钢动态应力响应与考虑绝热温升修正J-C本构模型研究

为研究20CrMnTi钢的动态应力响应,利用拉伸试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对20CrMnTi钢进行准静态拉伸和不同应变率下的动态压缩实验。结果表明:20CrMnTi钢具有应变率效应和增塑效应。但在动态压缩实验中20CrMnTi钢对应变率变化不太敏感。考虑绝热温升的影响,对J-C本构模型进行修正。结果显示修正后的J-C本构模型可很好的描述20CrMnTi钢在动态冲击加载下的力学性能,为20CrMnTi钢在高速重载机械零件上的应用提供重要参考。     

考虑热塑性变形的316H不锈钢Johnson-Cook本构参数逆向识别

本构模型能表征材料变形过程中的动态响应,其精度对机械加工中切削力、切削温度的解析预测具有决定性作用.针对316H不锈钢本构模型缺失问题,提出一种基于切削理论的Johnson-Cook本构参数逆向识别方法.通过建立的不等分主剪切区的应力、应变、应变率及温度分布的数学模型,以及准静态压缩试验和正交切削试验的数据,采用粒子群...     

粉煤灰漂珠/聚氨酯复合泡沫铝材料压缩性能与本构关系研究

采用压力渗透法制备出了铝基复合泡沫材料,填充材料是以粉煤灰漂珠为主要组分、硬质聚氨酯泡沫为粘结剂的复合泡沫材料.通过准静态实验和分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)动态压缩的方法研究了复合泡沫铝的压缩力学响应,然后建立了动态本构关系.研究表明,复合泡沫铝的压缩应力-应变曲线与其它泡沫材料的应力-应变曲线类似,文中的两种铝基复合泡沫具有应变率效应,复合泡沫铝较密度相近未填充前的泡沫铝基具有更高的压缩强度与能量吸收能力.但由于漂珠尺寸的不同,导致两种复合泡沫铝的动态压缩结果不尽相同,且小颗粒复合泡沫铝在动态冲击下吸能效果最好.在本研究实验的应变率和密度范围内,本文建立的本构模型曲线与实验曲线吻合较好.     

高应变速率下铸态AM80镁合金的变形行为及数值模拟

采用INSTRON准静态压缩实验机和分离式霍普金森压杆装置对铸造固溶态AM80镁合金不同应变速率下的压缩变形行为进行了研究,应变速率分别为0.0001s-1、800s-1、1050s-1、1600s-1、1850s-1和2100s-1。结果表明：当应变速率ε˙≤1850s-1时,实验用AM80镁合金的流变应力随应变速率的增大而增大,表现出明显的正应变速率敏感性;当应变速率增至2100s-1时,由于局部温升效应,合金产生了明显的动态软化,导致流变应力反而略有减小。采用Johnson-Cook材料模型对实验用AM80镁合金在不同应变速率下的变形行为进行描述,并取材料应变速率强化参数为应变速率的函数。对比结果表明,所建立的本构方程与实验结果基本吻合。此外,由于力学本构忽略了由形变引起的温升软化,基于ABAQUS的仿真结果在较低应变速率（800s-1）和高应变速率（1850s-1）的中低应变下与实验结果吻合得较好;而在高应变速率（1850s-1）的较高应变条件下,仿真结果与实验结果差异较大。     

TC4-DT钛合金材料动态力学性能及其本构模型

利用同步组装的高温分离式Hopkinson压杆试验装置,对TC4-DT钛合金材料分别进行了常温下不同应变率（930~9700s-1）和应变率为5000s-1时不同温度下（20~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种冲击载荷下的应力-应变曲线。试验数据表明,TC4-DT材料具有应变率增塑效应且存在着临界应变率值,当应变率高于此值时应变率敏感性增强明显,此外随着材料加热温度的升高,软化效应减弱。利用试验所得的数据拟合了基于Power-Law和Johnson-Cook两种热-黏塑性本构方程且获得这两种动态本构模型参数,并将所得的两种拟合曲线与试验所得数据进行对比分析,结果表明两曲线吻合度都较好,此外还对这两种曲线的拟合精度进行对比,对比结果表明两种模型的拟合误差相差不大,但是Power-Law模型拟合精度要略优于Johnson-Cook模型的拟合精度。     

TC17钛合金在高温与高应变率下的动态压缩力学行为研究

采用微型分离式霍普金森压杆实验系统对TC17钛合金在高温、高应变率条件下的动态力学行为进行研究,测试材料的应力应变行为,分析实验温度、应变率和应变对其动态力学性能的影响规律。实验结果表明：当应变率为3000s-1时,TC17钛合金表现出明显的应变硬化效应,但在高温、高应变率条件下其应变硬化效应明显减弱;TC17钛合金具有应变率强化效应,但在温度升高过程中其应变率敏感性随着实验温度的升高而先减小后增大;实验温度对TC17钛合金的动态压缩力学行为的影响非常明显,温度敏感性因子随温度的升高大幅度增大。     

GH4169合金不同热变形条件下的流变应力研究

在Gleeble－3500型热加工模拟试验机上进行了GH4169镍基合金的高温压缩试验,变形温度为980℃～1100℃、应变速率为0,01s^-1、0,1s^-1、1s^-1、10s^-1,变形程度为50％。通过绘制真应力一真应变曲线,研究了GH4169镍基高温合金高温下的流变应力行为。结果表明：GH4169是应变速率和变形温度敏感型材料,变形温度升高和应变速率减小使流变应力显著减小;在变形的初始阶段,流变应力迅速增加,在到达峰值后,随着应变的增加,流变应力逐渐下降,并趋于一稳定值。采用简化后的双曲正弦模型Arrhenius方程,建立了GH4169高温条件下的本构方程,运用该方程计算出的峰值应力与试验测量值相比,拟合度达到了95.95％。     

Constitutive modeling for Ti-6Al-4V alloy machining based on the SHPB tests and simulation

A constitutive model is critical for the prediction accuracy of a metal cutting simulation. The highest strain rate involved in the cutting process can be in the range of 10~4–10~6 s~(–1). Flow stresses at high strain rates are close to that of cutting are difficult to test via experiments. Split Hopkinson compression bar(SHPB) technology is used to study the deformation behavior of Ti-6Al-4V alloy at strain rates of 10~(–4)–10~4s~(–1). The Johnson Cook(JC) model was applied to characterize the flow stresses of the SHPB tests at various conditions. The parameters of the JC model are optimized by using a genetic algorithm technology. The JC plastic model and the energy density-based ductile failure criteria are adopted in the proposed SHPB finite element simulation model. The simulated flow stresses and the failure characteristics, such as the cracks along the adiabatic shear bands agree well with the experimental results. Afterwards, the SHPB simulation is used to simulate higher strain rate(approximately 3×10~4 s~(–1)) conditions by minimizing the size of the specimen. The JC model parameters covering higher strain rate conditions which are close to the deformation condition in cutting were calculated based on the flow stresses obtained by using the SHPB tests(10~(–4)–10~4 s~(–1)) and simulation(up to 3×10~4 s~(–1)). The cutting simulation using the constitutive parameters is validated by the measured forces and chip morphology. The constitutive model and parameters for high strain rate conditions that are identical to those of cutting were obtained based on the SHPB tests and simulation.     

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。     

铸态42CrMo钢热压缩变形时的动态再结晶行为

基于Gleeble-1500型热模拟试验机进行热压缩试验,通过对试验数据进行线性回归分析推导出了铸态42CrMo钢热压缩变形的本构方程,同时探讨了热压缩变形参数对显微组织的影响。结果表明:在相同的变形温度(850～1 150℃)下,该钢变形后的显微组织随着应变速率的增大逐渐变细,在5s-1时达到最细;在相同的应变速率(0.1～5s-1)下,显微组织随着变形温度的升高逐渐变细后再粗化,在1 050℃时马氏体板条最细;在相同的应变速率(1～5s-1)和变形温度(900～1 050℃)下,随着变形量的增加,再结晶晶粒尺寸均得到了显著细化;在温度为1 050℃、应变速率为5s-1、应变为0.6时热压缩后晶粒的细化效果最为显著。     

Ti-17合金高温变形中的不连续屈服与流变软化研究

本文以原始组织为片状的Ti-17合金为例,研究了不连续屈服和流变软化的机理。结果表明:具有片状组织的Ti-17合金在变形温度超过820℃,应变速率为10 s-1时,出现不连续屈服现象,并随着变形温度和应变速率的增大而更加明显,该现象无法用传统的静态理论(位错钉扎-脱钉)进行合理解释,它符合动态理论,即不连续屈服与晶界突然增殖大量可动位错有关。应变速率较高时,具有明显的流变软化特征,其主要是由温升效应和片状组织球化或片层弯折引起的。     

Material flow stress and failure in multiscale machining titanium alloy Ti-6Al-4V

Titanium Ti-6Al-4V alloy is a typical difficult-to-machine material due to its unique physical and mechanical properties. The material properties of Ti-6Al-4V play an important role in process design and optimization. However, the dynamic mechanical behavior is poorly understood and accurate predictive models have yet to be developed. This work focuses on the dynamic mechanical behavior of machining Ti-6Al-4V beyond the range of strains, strain rates, and temperatures in conventional materials testing. The flow stress characteristics of strain hardening and thermal softening can be predicted by the Johnson–Cook model coupled with the adiabatic condition. The predicted flow stresses at small strains agree very well with those from the split Hopkinson pressure bar (SHPB) tests, while the predicted flow stresses at large strains also agree with the calculated flow stresses based on the cutting tests with a suitable depth of cut. Heat fraction and temperature parameter control the range of thermal softening and the decrease rate of flow stress. The material may exhibit super plasticity at a small depth of cut with a large radius of the cutting edge in micromachining. Strain rate is one important factor for material fracture close to the cutting edge. The failure strain increases linearly with the increase of homologous temperature, while it only increases slightly with the strain rate.     

Deformation temperature and material constitutive model of cupronickel B10

Cupronickel B10—an important material used in aircraft carriers—exhibits excellent electrochemical and mechanical properties, such as high corrosion resistance and weldability. The Split-Hopkinson pressure bar (SHPB) test is a classical method to obtain the dynamic mechanical properties of solid materials. However, the deformation temperature has long been ignored in SHPB studies, which results in low accuracy of the material constitutive model. Thus, in this study, a new method for obtained the deformation temperature was proposed and the modified material equation was validated using experimental data. Quasi-static compression and SHPB experiments were conducted with a thermocouple. The results revealed that the deformation temperature of the quasi-static tests was nearly zero, whereas that of the SHPB experiments ranged from 40 to 90 °C. Therefore, the method developed to describe the deformation temperature can be used to improve the precision of SHPB experiments, as demonstrated for the case of cupronickel B10.