3种铝合金材料动态性能及其温度相关性对比研究

 对3种铝合金2024-T351、7050-T7451和LY12-CZ进行了温度在77～573 K的静、动态压缩（应变率10^-3～6 000/s）和拉伸（应变率10^-3～3 000/s）试验,分别得到了3种铝合金材料的应力 应变关系和失效应变。对比研究结果表明,随温度升高3种材料的塑性流动应力降低,应变率敏感性增加。最后基于Johnson-Cook模型,拟合了用以预测铝合金材料塑性流动应力的模型参数,其预测结果与试验结果吻合较好。     

GH4169高温合金高应变率本构关系试验研究

 基于高应变率下GH4169高温合金的本构关系是采用有限元法对GH4169高温合金进行切削加工数值分析研究的基础。本文针对GH4169高温合金,通过试验对其在温度为室温至1 000 ℃、应变率为2 000～10 000 s^-1的范围内的本构关系进行了研究。研究发现高应变率下GH4169高温合金的流动应力与塑性应变关系接近线性关系,同时温度影响着高应变率下应变率对本构关系的影响程度及方式。根据GH4169合金流动应力曲线的特点,对Johnson-Cook本构模型进行修正。基于试验结果,通过数据拟合确定了对应高应变率GH4169高温合金的材料常数,建立了描述GH4169高温合金高应变率下的本构模型,为切削加工有限元数值分析提供了理论基础,并为相关类似研究提供了思路。     

Z-A模型的修正及在预测本构关系中的应用

Zerilli-Armstrong(Z-A)模型是基于热激活位错运动理论建立的具有物理理论基础的本构模型,但是模型建立的初始假设,降低了其预测精度.为此通过引入考虑应变率和温度耦合效应的应变强化指数对Z-A模型进行修正,拓展了其适用范围,并将修正后的Z-A模型应用于描述IC10合金在不同温度和应变率条件下的塑性流变行为.与修正前Z-A模型的预测结果及试验结果比较表明:修正后Z-A模型的预测精度有较大程度的提高,最大平均相对误差值从6.41%降低到3.65%.      

7050高强度铝合金流变行为研究

通过等温压缩试验研究了7050铝合金在变形温度300~450℃、应变速率0.01 s-1~10s-1条件下的流变应力变化规律,计算并建立了描述7050铝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7050铝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.经计算,在本试验条件下,7050铝合金的热变形激活能为151.63 kJ/mol.     

金属间化合物TiAl(W,Si)合金的蠕变行为和机制

 研究了 Ti-47Al-2 W-0.5 Si合金在 650～ 750℃区间的蠕变行为和变形机制。结果表明,合金 650℃蠕变寿命与施加应力之间符合线性的双对数关系,可用表达式 lg^t_f=10 lg^R+30来描述。蠕变寿命与最小蠕变速率之间满足 Monkman-Grant关系的修正式。合金的比蠕变强度与抗热腐蚀镍基高温合金 K438G相当。在700℃变载荷下蠕变时具有与恒载荷下蠕变相类似的特征。 800℃长期时效粗化合金组织,降低蠕变寿命。位错滑移和形变孪生是合金蠕变的主要变形机制。     

TA7钛合金高温流变行为研究

通过热压缩试验研究了TA7钛合金在变形温度850~1000℃、应变速率0.001~0.1s-1条件下的流变应力变化规律,计算并建立了描述TA7钛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TA7钛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。     

SHPB实验考虑绝热变形和端面摩擦的修正方法

采用高温分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术对GH4169高温合金进行测试,获得了材料在高应变率下的温度敏感性,并拟合了Johnson-Cook本构模型的参数。结合数值计算方法对压缩实验中试件内部的应力、应变以及温度的分布建立了一个半经验的数学模型并提出了一种新的参数修正方法,将端面摩擦效应、绝热变形升温效应与SHPB实验结果进行解耦。实验结果表明:温度越高,GH4169高温合金的屈服强度以及流动应力越小。并且在SHPB实验中GH4169高温合金存在明显的绝热变形升温效应和端面摩擦效应,导致实验结果并不能真实反映材料的硬化特性。通过对原始Johnson-Cook本构方程的硬化项乘以1.2的修正系数,发现修正后的本构参数准确反映了材料在高应变率下的应力应变特性。      

Ti-46Al-6(Cr,Nb,Si,B)合金高温变形特性研究

采用Thermecmaster-Z型热压缩试验机,在900~1250℃温度范围内、和10-3~1s-1应变速率条件下对铸态和挤压态Til-46Al-6(Cr,Nb,Si,B)at%合金(以下简称G4合金)进行了热压缩模拟试验,建立了两种状态下G4合金的加工图.并以加工图为基础,结合组织观察,研究了高温下该合金的变形特性.结果表明:G4合金的高温变形性能受温度和应变速率强烈影响,并呈现不同特征;流变应力随变形温度升高而减小,随应变速率增大而增大;挤压态G4合金具有比铸态G4合金更好的稳定流变能力和更宽的可热加工窗口;动态再结晶(DRX)是导致G4合金流变软化和稳定流变的主要原因;铸态G4合金的最佳变形温度为1150~1200℃,应变速率为10-2.5～10-3s-1,挤压态G4合金的最佳变形温度为1050~1150℃,应变速率为10-1.5~10-2.5s-1;G4合金的主要失效模式包括表面开裂、局部流动和楔形开裂.     

深空辐射环境对高吸收率消杂光涂层的性能影响

为了研究深空辐射环境对SCB-1型空间高吸收率消杂光涂层的太阳光谱吸收性能影响。采用5 000 ESH剂量的真空-紫外、2.5×10¹⁵ p/cm²注量的真空-质子和2.5×10¹⁶ e/cm²注量的真空-电子依次对SCB-1消杂光涂层进行串联辐照试验，分析各项辐照试验前后消杂光涂层外观、太阳吸收比α_s及半球发射率ε_H的变化情况。并采用热失重分析（Thermal Gravity Analysis）判断消杂光涂层受辐照试验后的分解情况与热稳定性变化。经串联辐照试验后，SCB-1消杂光涂层全波段太阳吸收比总变化值Δα_s下降了0.011~0.012，400~1 100 nm波段太阳吸收比总变化值Δα_s下降了0.011~0.013，以上三项串联辐照过程中SCB-1消杂光涂层的半球发射率总变化值Δε_H无明显变化。SCB-1消杂光涂层呈现了极佳的深空辐射环境下的消杂光持久性，可对未来深空探测领域的光学技术发展提供有力支持。     

7150铝合金热变形行为及微观组织

采用Gleeble热模拟机进行热压缩实验,研究7150铝合金在变形温度为300~450℃、应变速率为0.01~10s-1条件下的变形行为,采用Zener-Hollomon参数法构建合金高温塑性变形本构方程,并对变形后的微观组织进行分析。研究表明:7150铝合金的流变应力随应变速率增大而增大,随变形温度增大而降低。该合金热压缩变形的流变应力行为可用双曲正弦形式的本构方程描述,其参数A为4.161×1014s-1,α为0.01956 MPa-1,n为5.14336,热变形激活能Q为229.7531k J/mol。随着温度升高和应变速率降低,动态再结晶逐渐取代动态回复成为合金的主要软化机制。     

置氢处理对TC4钛合金流变行为的影响

应用材料试验机及霍普金森压杆装置(SHPB)对切削用置氢TC4钛合金进行了静态和动态压缩实验,获得了不同温度和应变率下的应力-应变曲线。实验中应变率范围为0.001～15000s-1,温度范围为293～973K。分析比较了合金流变应力对温度及应变率的敏感性。结果表明,置氢TC4钛合金具有较强的热软化效应,而应变率强化效应则相对较弱。随氢含量的增加,流变应力呈现先减小后增大的规律,氢含量0.3%时,最大降幅达25%。根据流变应力的变化规律及相关切削理论,对实验中切削力及切削温度的变化情况进行了分析。最后基于Johnson-Cook本构模型,拟合了模型中的参数,其预测值与实验结果吻合较好。     

Constitutive behavior and microstructural evolution in hot deformed 2297 Al-Li alloy

The microstructural evolution mechanism and constitutive behavior of 2297 Al-Li alloy were studied via thermal compression test with the constant strain rates of 0.001–1 s⁻¹ and the deformation temperatures ranging from 623 to 773 K. To verify the predictable ability of diverse constitutive models under different stress states, the hot compression experiments with stress triaxiality varying from −0.33 to 0.46 were conducted. The microstructures of the deformed specimens under diverse deformation conditions are probed to reveal the mechanism of hot deformation behavior. The experimental results indicate that the work-hardening and dynamic softening are competitive during the hot compression process, and the dynamic softening is more obvious under low deformation temperature and high strain rate. The microstructural analysis manifests that the dynamic recovery gets predominant at high deformation temperature to produce fine grains. Meanwhile, the dynamic recrystallization becomes more dominant as the strain rate decreases, which is sensitive to the stress triaxiality. In addition, both the modified Johnson-Cook model and strain-compensated Arrhenius-type function are suitable for describing the flow behavior of 2297 alloy, while the latter reveals a more accurate prediction. However, the predictability of the two kinds of models is worsened with the transformation of stress triaxiality, and the validity of the Arrhenius-type model is restricted by high stress triaxiality.     

钛合金TC4高温动态压缩力学行为研究

利用分离式Hopkinson压杆和微型Hopkinson压杆测试钛合金TC4材料,在温度为20～800℃之间,应变率103/s和104/s下的压缩力学行为,定量研究温度和应变率对材料流动应力的影响规律。结果表明:随着温度升高,材料应变率呈现增大趋势,而随着应变率变化,材料温度敏感性变化不大。     

Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金绝热剪切和局部流动行为

在THERMECMASTOR-Z型热模拟机上对Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金在变形温度780～1 080 ℃,应变速率0.001～70.000 s^-1条件下的流动应力变化规律进行了研究,分析了变形工艺参数对Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金绝热剪切和局部流动行为的影响,并采用基于动态材料模型的功率耗散图分析了Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金易发生绝热剪切和局部流动的热力参数范围。结果表明:在所研究的热变形条件下,当温度较高、应变速率较低时,变形呈稳态流动特征,当温度较低、应变速率较高时,变形呈流动软化特征。通过功率耗散图分析及微观组织观察可知,在α+β两相区变形,应变速率高于0.100 s^-1时,功率耗散系数多数小于0.16,变形多处于流变失稳区域,其变形机制主要为绝热剪切和局部流动。     

Hot deformation behavior and strain compensation constitutive model of equiaxed fine grain diffusion-welded micro-duplex TC4 titanium alloy

In this work, two-stage diffusion bonding of micro-duplex TC4 titanium alloy was carried out to study the flow behavior and constitutive models of the bonding joint and the base metal after the same thermal cycling during the hot forming process. Microstructure and mechanical properties test were used to verify the good quality of the equiaxed fine grain diffusion-welded TC4 alloy. Quasi-static tensile experiment was carried out at temperatures ranging from 750–900 °C and strain rates of 0.0001–0.1 s⁻¹. The joint showed the weak dynamic recovery at strain rates of 0.01–0.1 s⁻¹ and temperatures of 750–850 °C. At strain rates of 0.0001–0.001 s⁻¹ and temperatures of 850–900 °C, the flow stress of joint presented steady-state characteristics. Different deformation conditions lead to the remarkable difference of dynamic softening performance between the joint and heat-treated base metal, but the flow stress in elastic and strain hardening stages exhibited similar behavior. The strain compensated Arrhenius-type constitutive models of TC4 joint and heat-treated base metal were developed respectively. The fifth-order polynomial functions between the material property correlation coefficients and strain were obtained. The models have shown good correlation, with correlation coefficient values of 0.984 and 0.99. The percentage average absolute relative error for the models were found to be 10% and 9.46%, respectively.     

纯铁材料动态力学性能测试及本构模型

研究纯铁材料的动态力学性能并建立其本构模型是开展纯铁材料工程应用和数值模拟研究的基础,利用Instron材料试验机和分离式Hopkinson压杆试验装置,对纯铁材料进行了常温下不同应变率（10^-3~5×10⁴s^-1）和应变率为10⁴s^-1时不同温度下（200~800℃）的动态力学性能测试,获得了各种载荷下的应力-应变曲线。试验结果表明,纯铁材料的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,具有明显的应变强化效应、应变率强化和增塑效应以及热软化效应。基于Power-Law本构方程,通过试验数据拟合得到了纯铁材料的动态本构模型参数,拟合曲线与试验数据吻合较好,表明该模型能较好描述纯铁材料在动态载荷下的力学行为。     

Dynamic tensile behavior of AZ31B magnesium alloy at ultra-high strain rates

The samples having {0001} parallel to extruding direction(ED) present a typical true stress–true strain curve with concave-down shape under tension at low strain rate. Ultra-rapid tensile tests were conducted at room temperature on a textured AZ31 B magnesium alloy. The dynamic tensile behavior was investigated. The results show that at ultra-high strain rates of 1.93 · 102 s 1and 1.70 · 103 s 1, the alloy behaves with a linear stress–strain response in most strain range and exhibits a brittle fracture. In this case, {10-12} 10-11 extension twinning is basic deformation mode. The brittleness is due to the macroscopic viscosity at ultra-high strain rate, for which the external critical shear stress rapidly gets high to result in a cleavage fracture before large amounts of dislocations are activated. Because {10-12} tension twinning, {10-11} compressive twinning,basal a slip, prismatic a slip and pyramidal c + a slip have different critical shear stresses(CRSS), their contributions to the degree of deformation are very differential. In addition,Schmid factor plays an important role in the activity of various deformation modes and it is the key factor for the samples with different strain rates exhibit various mechanical behavior under dynamic tensile loading.     

基于单向拉伸的防锈铝合金温热力学性能研究

通过不同温度及应变速率下的单向拉伸试验,获得了5A06-O防锈铝合金板材关键力学性能参数的变化规律。结果表明,在一定的应变速率下,5A06铝合金的流动应力及抗拉强度随着温度的升高而降低,断后延伸率随着温度的升高而显著的提高。当温度处在20～150℃范围内,均匀延伸率随着温度的升高而升高,而在150℃～300℃范围内,随着温度的升高而降低。另外,基于Fields&Backofen本构方程,对5A06铝合金在不同温度状态下的强化规律进行了分析和探讨,结果表明,随着温度的逐渐升高,应变强化指数不断减小,应变速率敏感系数则显著增大,应变速率强化作用明显增强。     

复合材料层合板在动态变温情况下断裂韧性的研究

在室温至６５℃环境下,采用ＷＥＫ 断裂模型预测玻璃布－ 环氧层板材料的动态断裂韧性, 给出了具体的实验测试步骤和理论分析方法,同时测定了单边切口拉伸情况下的断裂功。结果表明,温度、加载速率的改变对玻璃布－ 环氧层板材料的断裂性能有明显的影响。还分析了在不同温度、不同加载速率条件下玻璃布－ 环氧层板材料的破坏过程及内部损伤情况。