合金钢A517Q加热小变形下的应力应变模型

为了在有限元分析中精确计算钢坯加热过程中的应力分布情况,建立了描述A517Q钢不同温度下真应力真应变曲线的数学模型.将拉伸实验与膨胀实验所得数据结合处理,得到了不同温度下的机械应变对应的真应力曲线,排除了热膨胀与材料氧化的影响.建立该模型仅需5个关键参数,对于无明显屈服平台且应力随应变持续增长的应力应变曲线具有良好的描述精度.将通过处理A517Q钢拉伸实验数据获得的5个关键参数拟合为关于温度的函数,代入已建立的应力应变数学模型中,实现了对不同温度下材料力学性能的准确预测.将本模型植入有限元,模拟得到了钢坯加热过程中的应力分布,可为优化加热工艺提供参考.     

冷轧不锈钢管二辊模具优化模型的建立与验证

以皮尔格轧机冷轧304不锈钢管为例,建立二辊模具的关键参数优化模型.首先通过在不同应变速率下材料的拉伸试验获得真应力-应变曲线数据,通过对真应力-真应变曲线进行非线性拟合,获得304不锈钢的本构方程;然后根据皮尔格冷轧钢管的变形特点,结合增量理论得出钢管当量变形量的计算方法,融合孔型参数和各工艺参数之间的关系,推导出二辊模具孔型变形区压下段和精整段长度之比Q值与材料应变速率之间的优化方程;最后利用材料卸载定律解出冷轧304不锈钢管过程特定阶段时的应变速率值,解出不同尺寸精度无缝钢管的Q值.以计算出的Q值为二辊模具的设计参数,根据皮尔格轧机孔型设计优化程序设计出轧辊和芯棒,并利用有限元仿真软件和现场轧制试验验证了本优化模型的正确性,验证成品管能够达到预期的尺寸精度.     

岩石软化时效变形的弹黏塑性模型表征

为同时描述岩石应变软化以及时间相依的变形特征,基于超固结土的下负荷面模型,依据相对过应力思路,以Hashiguchi的下负荷面为参考屈服面,建立一种能表征岩石软化时效变形特征的弹黏塑性本构模型。相对于原下负荷面模型,新模型增加了2个能通过不同应变速率三轴压缩试验测定的率敏性参数c0和m',并结合岩石的特点用弹性模量E0和变形模量Ed代替原模型中的回弹指数κ与压缩指数λ。新模型采用以当前应力、黏塑性应变以及黏塑性应变速率为状态变量的动屈服准则函数,给出了基于Newton-Raphson迭代的应力积分算法,且成功地将其嵌入到大型有限元软件ABAQUS中。利用新模型对岩石率敏性三轴试验进行模拟验证,结果表明:预测结果与试验结果吻合良好;模型参数物理意义清晰、简单可测,能正确描述岩石的率敏性及应变软化等特征,可用于复杂边值问题的有限元计算。     

Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢热变形过程的动态再结晶动力学及影响因素

采用Thermorestor-W热模拟试验机,对Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢进行热压缩试验,研究其在变形温度950～1 200℃,应变速率0.01～2.5s-1条件下的动态再结晶行为.当变形温度高于1 000℃后,Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢的变形以动态再结晶为主,且随温度升高,峰值应力对应的应变减小.利用应变硬化率-应力曲线确定的材料动态再结晶临界应力σc、峰值应力σp、饱和应力σss(e)和稳态应力σs的数值,回归得到临界动态再结晶应变εc与Zener-Hollomon参数的关系,并确定临界应力与峰值应力的关系.通过建立Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢的热变形动态再结晶Avrami模型,分析应变速率和变形温度对Avrami曲线的影响,表明应变速率比温度对Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢的动态再结晶Avrami曲线的影响更加显著.     

乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜单向拉伸性能及黏塑性本构模型

对厚度为250μm的长条形ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜试样进行了8种定速(拉伸速度由极慢的1mm/min到极快的500mm/min)单向拉伸试验,得到了相应的应力应变曲线、屈服强度、弹性模量等参数随拉伸速率的变化规律.结果表明:ETFE薄膜的屈服强度和屈服应变随拉伸速率的增加而增加;ETFE薄膜的切线、割线弹性模量,以及基于应变能和应变余能的等效弹性模量随拉伸速率的增加而增大,3种弹性模量之间的差值也随拉伸速率的增加而增大.对上述应力应变曲线进行分析,提出了ETFE膜材的黏塑性本构模型(Peirce模型),并在有限元分析软件ANSYS中进行了数值模拟,其结果与试验得出的应力应变曲线吻合较好.     

纯镍N6平面热压缩变形行为及加工图

利用Gleeble-3800热模拟试验机对纯镍N6在变形温度800~1100℃,应变速率5~40 s-1,应变量70%条件下进行了高温塑性变形压缩试验,分析纯镍N6高温高应变速率热变形行为,得到了材料在不同变形参数条件下的组织变化规律及流变应力变化曲线,利用动态材料模型绘制出了纯镍N6在不同应变条件下的热加工图。通过对组织及热加工图的分析研究,得出变形温度为1000~1100℃,应变速率为5~7 s-1或20~40 s-1以及变形温度为800~900℃,应变速率为5~10 s-1为纯镍N6材料高温高应变速率热变形的两个合理变形参数区间,在参数区间内N6组织均匀;而流变失稳区变形参数条件下得到的组织比较紊乱,晶粒大小不一。纯镍N6热变形后的晶粒尺寸随变形温度升高及应变速率减小而增大。     

砂土速率相关黏性特性的有限元分析

根据复杂加载条件下饱和砂土排水平面应变压缩试验,分析了砂土的速率相关的黏性特性.试验发现砂土存在显著的加载速率效应、蠕变变形和应力松弛,并且在应变速率突变、蠕变或应力松弛之后,以新的应变速率重新加载时呈现出高刚度行为.针对砂土的变形强度特性提出了一种非线性有限元计算方法,砂土本构关系采用了三要素弹黏塑性本构模型.将有限元计算结果与试验结果进行比较,表明建议的有限元计算方法不仅可以较为精确地模拟砂土的平均应力-应变关系,同时也可以模拟包含变应变速率加载、蠕变加载、应力松弛加载的全过程黏塑特性.     

与应变速率相关的DP980高强度钢板辊弯成形的本构模型建立

摘要： 确定了辊弯成形中DP980高强度钢板的应变速率范围,在3种应变速率条件下进行了DP980高强度钢板的单向拉伸试验,并对试验数据进行非线性拟合,建立了与应变速率相关的Johnson Cook本构模型;应用所建本构模型进行辊弯成形有限元模拟,并与相应的辊弯成形试验结果加以对比.结果表明,所建立的本构模型具有较高的精度,可用于辊弯成形工艺的进一步优化.     

电热合金Cr20 Ni80的热变形行为及热加工图

为了解决Cr20 Ni80电热合金锻造开裂的问题,在Gleeb-1500D热模拟试验机上对该合金进行热压缩试验,研究变形温度为900~1220℃,应变速率为0.001~10 s-1条件下的热变形行为,并根据动态材料模型建立合金的热加工图.合金的真应力-真应变曲线呈现稳态流变特征,峰值应力随变形温度的降低或应变速率的升高而增加;热变形过程中稳态流变应力可用双曲正弦本构方程来描述,其激活能为371.29 kJ·mol-1.根据热加工图确定了热变形流变失稳区及热变形过程的最佳工艺参数,其加工温度为1050~1200℃,应变速率为0.03~0.08 s-1.优化的热加工工艺在生产中得到验证.     

非线性组合硬化条件下镁合金板料变形回弹预测

变形回弹作为金属板料成形的主要缺陷之一,如何提高变应变路径条件下的回弹预测精度一直是研究者们面临的难题.本文针对镁合金变形特点,提出了同时考虑同向硬化、动态硬化和屈服圆畸变的本构模型.以0.8mm厚AZ31B镁合金板料为研究对象,施加不同预拉伸后进行弯曲变形试验,观察了不同预变形对回弹规律的影响.同时结合有限元分析ABAQUS-Explicit(Vumat)和ABAQUS-Implicit(Umat)对板料的变形及回弹过程进行模拟仿真,对比试验与模拟结果,验证动态硬化对于镁合金板料变形回弹的重要影响.     

Q235低碳钢高温变形过程的动态组织演化分析

通过Gleeble 2000上的热模拟压缩实验,分析了Q235低碳钢在不同热加工参数下的动态组织演化特征.结果表明:应变速率和温度对Q235钢的奥氏体形变特征影响强烈.在相同变形温度下,应变速率的提高可以明显推迟动态再结晶的发生;应变速率较低时,降低温度同样可以延迟动态再结晶的发生.利用定量金相技术及线性、非线性拟合算法,建立了Q235钢热变形过程的唯像本构关系及组织演化动力学模型,并将其应用于Autoforge 3.1有限元软件平台.压缩过程有限元模拟分析表明,分别采用Arrhenius双曲正弦方程描述Q235钢的唯像本构关系及Yada模型表征Q235钢变形过程的平均晶粒尺寸,可以满足预测精度,与实际变形过程基本吻合.     

基于修正塑性功函数的砂土硬软化本构模型

基于与应力路径无关的修正塑性功函数,提出了一个新的可以考虑砂土变形强度应力路径效应的弹塑性硬化-软化本构模型.模型所采用的与应力路径不相关的修正塑性硬化函数是基于砂土多应力路径平面应变压缩试验结果、经过数学拟合而得到的.文中建议的本构模型属于等向硬化-软化、考虑非关联流动的弹塑性模型.有限元计算结果与室内试验结果比较表明,该模型不仅可以较好地模拟砂土变形强度的应力路径效应,同时也可以模拟砂土变形强度的应力水平依存性、强度的固有结构性各向异性、初始空隙比依存性,以及砂土伴随剪切破坏的软化效应.     

20Mn2SiV非调质钢热变形流变应力模型

利用MMS-300热模拟试验机,对20Mn2SiV非调质钢在变形温度为900~1 100℃及应变速率为0.01~10s-1条件下的流变应力进行了研究,讨论了Z参数与动态再结晶之间的关系,并建立了该钢的热变形流变应力模型.结果表明:采用Z参数可以判断动态再结晶发生与否,当lnZ≤32.76时,20Mn2SiV非调质钢发生动态再结晶;根据动态再结晶发生与否以及应变是否达到动态再结晶临界应变值,分别建立了不同情况下的流变应力模型,模型拟合效果良好.     

BR1500HS超高强度钢本构模型的建立及验证

在Gleeble3500热模拟实验机上,采用等温热拉伸实验对BR1500HS超高强度钢在变形温度为1 023,1 073,1 123和1 173 K,应变速率为0.01,0.10和1.00 s-1条件下的热流变行为进行研究。根据蠕变理论及实验流动应力曲线确定材料变形激活能、硬化指数等相关材料常数并引入Zener-Hollomon参数。通过位错密度演化模型描述加工硬化和动态回复对流动应力的影响,并建立包含稳态应力σss、屈服应力σ0和动态回复速率系数r这3个参数的本构模型。研究结果表明:由建立的本构模型所绘制的流动应力曲线与实验曲线具有高度一致性,所建立的本构模型能够应用于BR1500HS超高强度钢热拉伸过程的数值模拟及热成形工艺分析。通过回归分析法建立模型参数关于Z参数的表达式,获得流变应力与变形条件的关系。     

基于动态材料参数的5083铝合金本构模型

通过热压缩试验研究5083铝合金在应变速率为0.01~10 s~(-1)、变形温度为300~500℃、变形程度为50%条件下的流变行为,根据热模拟数据建立基于动态材料参数的双曲正弦函数本构模型(ZHCM)及幂函数本构模型(ZBCM),并对这2种本构模型的应力预测精确度进行计算。研究结果表明:ZHCM与ZBCM均有较高的应力预测精度,应力平均相对误差分别为5.26%和3.92%,相比之下,ZHCM在应变速率为10 s~(-1)、变形温度为300℃的条件下应力精度比ZBCM的高,而当应变速率为0.01~1 s~(-1)、变形温度为350~500℃时,ZBCM的应力精度较高。     

37Mn5钢临界应变数学模型研究

采用THERMECMASTOR-Z热模拟试验机,对37Mn5钢进行热模拟实验,研究材料的变形温度、变形程度和变形速率各因素对峰值应变的影响,确定37Mn5钢的临界应变数学模型,用计算机对该模型进行回归分析,得到的结果拟合度较高。     

环氧基形状记忆聚合物超弹-黏弹性本构及大应变率相关性

为探讨环氧基形状记忆聚合物(ESMP)在大应变状态下由材料超弹-黏弹性引起的应力软化-刚化效应及率相关特性,针对玻璃化转变温度(T_g)附近ESMP在发生大变形时表现出的应力软化和刚化效应进行力学本构方程及其试验研究.利用2阶多项式的超弹性本构方程替换广义Maxwell模型中的线弹性胡克定律以考虑大应变条件下材料的刚化效应,构造出超弹-黏弹性本构方程,并在真应变速率恒定的条件下推导出具有解析表达式、便于工程应用的材料参数测定公式;采用分段线性位移曲线逼近指数变化位移曲线,在温度高于T_g点的橡胶态及低于T_g点7℃的状态下,分组进行不同应变率的ESMP单轴拉伸试验;利用试验数据拟合得到推导本构方程的材料参数,并对其相应的拉伸试验进行数值模拟,试验结果与模拟结果较为吻合.结果表明:ESMP具备明显的率相关特性;随着应变速率的增大,ESMP的软化效应及刚化效应有所增强;应变速率大的切线模量总是大于应变速率小的切线模量.     

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V板材热成形的韧性破裂准则

为精确预测Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V板材热成形过程中的破裂现象,通过实验与有限元模拟相结合的方法建立基于CL,RT和Oyane的钛合金板材热成形韧性破裂准则。首先,进行不同温度及应变速率下的钛合金板材单轴等温拉伸实验,得到不同温度及应变速率下的破裂应变。随后,基于得到的破裂应变,利用有限元模拟及点追踪方法得到上述不同韧性破裂准则的损伤参数,通过引入Zener-Holloman参数lnZ,建立损伤参数随温度和应变速率变化的模型。最后,综合考虑变形历史、温度及应变速率对板材破裂的影响,建立基于CL,RT和Oyane准则的钛合金板材热成形韧性破裂准则,并将建立的韧性破裂准则应用到钛合金锥形件热旋成形破裂预测。研究结果表明:破裂应变随温度的升高和应变速率的降低而逐渐增大;不同韧性破裂准则的损伤参数随温度和应变速率的变化与破裂应变的相同;Oyane准则预测准确度最高。     

37Mn5钢热变形行为与流变应力模型研究

利用 Gleeble-1500热模拟实验机研究37Mn5钢在变形温度为800~1 150 ℃、变形速率为0.1~10 s-1条件下的热压缩变形行为.采用应变硬化率-应力曲线图较精确地获得峰值应力,并用双曲正弦方程描述37Mn5钢热压缩变形过程中的峰值应力与Zener-Hollomon参数的关系.回归分析得到方程中变形激活能及各材料常数的值,获得37Mn5钢在高温条件下的流变应力本构方程.结果表明,采用该本构方程计算出的流变应力值与实验所得应力值非常接近.     

国产Q550高强钢高温力学性能试验研究

通过稳态拉伸法对国产Q550高强钢高温力学性能进行试验研究,得到20~800℃下钢材的试验现象、力学性能参数、应力-应变关系曲线,并将所得试验结果与国内外相关规范和研究成果对比.试验表明:不同温度下试件破坏时表面及断口形貌区别明显;300℃后随着温度升高,弹性模量、屈服强度、极限强度下降,应力-应变关系曲线的弹性段和强化段缩短,下降段趋于平缓.450℃内高温对断后伸长率影响不大,此后随温度升高断后伸长率急剧增大.现有钢材高温力学性能参数模型对国产Q550高强钢并不适用.因此,分别采用多项式模型和美国国家标准与技术研究院的钢材高温通用材料模型进行拟合,得到高温下Q550高强钢力学性能参数的数学模型.