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。     

航空常用铝合金动态拉伸力学性能探究

利用分离式Hopkinson拉杆设备对五种航空常用铝合金2A12-CZ,2A12-M,2024-T351,7050-T74,7050-T7451进行了室温动态拉伸力学性能探究,并利用电子万能试验机对这五种材料进行了准静态拉伸力学性能测试,得到了五种铝合金在不同应变率下的拉伸真实应力应变曲线。试验结果显示:7050系列铝合金有较高的屈服强度,2A12M抗拉强度则最低。五种航空铝合金都表现出不同程度的正的应变率敏感效应,其中2A12-CZ敏感性最强,7050T7451敏感性最弱。五种铝合金动态拉伸失效应变明显大于准静态拉伸失效应变。2A12M与2024T351有较高的动态拉伸失效应变。在试验结果的基础上,选择Johnson-Cook本构模型,Cowper-Symonds本构模型来拟合这五种材料的动态本构,模型预测与试验结果吻合较好。     

铝合金蠕变试验及本构模型建立

对新铝合金7B04分别在三个不同时效温度(145℃,155℃,165℃)不同应力水平条件下进行了多组蠕变试验,试验表明温度、时间、应力对7B04铝合金的蠕变行为都有较大的影响;根据蠕变变形特征提出了能够较好描述材料蠕变行为的本构模型,并对试验数据进行非线性最小二乘拟合,得到了每个温度下的蠕变本构方程中的材料参数.     

铝7075介观尺度切削过程的仿真研究

基于位错机制的应变梯度(MSG)塑性理论,采用任意拉格朗日一欧拉ALE算法,建立了铝合金介观尺度切削过程的仿真模型,并通过试验对仿真模型进行了验证.结果表明:PCD刀具切削铝合金的最小切削厚度大致为刀具钝圆半径的0.25～0.3倍;材料应变梯度的存在使得材料表现出强烈的尺度效应,并且使单位切削力随着进给量的减小明显增大.     

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。     

基于改进Johnson-Cook模型的5083P-0铝合金动态本构关系研究

为研究5083P-0铝合金在高应变率下的力学行为及本构模型,通过RPL100材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB),对5083P-0铝合金进行了准静态及应变率范围950～3000 s-1的冲击动态压缩实验.结果 显示随着应变率的增加,5083P-0铝合金的屈服强度、流动应力增加,应变硬化率减小,具有应变硬化效应,正...     

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。     

HTPB推进剂高应变率粘弹性本构模型研究

为分析HTPB推进剂在高应变率条件下的力学响应,开展了推进剂分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验,得到了不同温度(-40~25℃)和应变率(700~2050s-1)下的应力-应变曲线。结果表明,HTPB推进剂在高应变率条件下具有显著的温度和应变率敏感性,且随着应变率的增加和温度的降低,推进剂的应力逐渐增加。在Burke模型基础上,结合超弹性和粘弹性理论,建立了一种考虑温度和高应变率效应的本构模型。通过不同温度和应变率条件下实验结果与本构理论预测对比,验证了本构模型的有效性,可为固体推进剂药柱点火瞬态结构完整性分析提供理论依据。     

基于数字图像相关的切削加工剪切区应变率监测调控研究

切削加工是航空制造领域主要加工方式之一,切削过程应变与应变率对切屑生成和加工表面质量有较大的影响,监测和调控切削过程应变与应变率是研究切削机理和实现加工过程控制的直接方法之一。本文开发了一套切削过程剪切区应变率监测调控软硬件系统,搭建了正交切削原位成像平台,获取切削过程剪切区显微照片,编写了多线程加速的全局数字图像相关算法,实现对正交切削过程的同步图像分析和剪切区应变率计算;建立了一套由计算机控制数控车床主轴的调速系统,根据测量应变率与目标应变率的大小关系实时调节主轴倍率。开展了两组正交切削试验,试验结果表明,所搭建的试验系统可以实现对剪切区的应变率监测与调控,调控后剪切区应变率与目标值偏差小于10%,与理论预测值相比误差小于23%。     

7050航空铝合金“单因素”本构模型参数与温度相关性研究

从理论和实验两方面研究7050航空铝合金"单因素"本构模型中参数与温度的相关性.通过位错理论分析和进行材料基本关系式推导指出铝合金材料模型受温度的影响.设计准静态压缩实验和高速冲击压缩实验研究材料的静、动态力学性能.通过对试验数据的分析、拟合和比较,得出7050航空铝合金"单因素"本构模型中的参数与温度相关的结论.根据试验结果建立材料参数与温度之间的数学映射,并在此基础上构建7050航空铝合金单因素"本构模型,最后进行切削实验验证模型的正确性.7050航空铝合金"单因素"本构模型的建立为进一步开展切削加工有限元模拟和进行工艺优化奠定基础.     

表面涂层破损对7 B04铝合金点蚀的影响及仿真研究

模拟7B04铝合金表面涂层破损,采用电化学试验研究7B04铝合金在不同环境条件下的自腐蚀与点蚀行为,基于电偶腐蚀数学模型,通过有限元法分析7B04铝合金与TA15钛合金接触后发生点蚀的条件。结果表明：7B04铝合金点蚀电位受Cl-浓度和pH值的影响,在NaCl质量分数>10%的中性溶液及NaCl质量分数为3.5%的酸性溶液中,自腐蚀状态下7B04铝合金即可发生点蚀;7B04铝合金与TA15钛合金接触后,电位升高,增加了发生点蚀的可能性,在NaCl质量分数为3.5%的中性溶液中,当阴阳极面积比≥40时,7B04铝合金发生点蚀的萌生并进一步扩展;7B04铝合金电位随阴阳极距离的增大而下降,但幅度有限,在10 m的距离内下降不超过2 mV。     

高速切削过程材料变形的应变率研究

高速切削因众多优点被广泛研究,然而切削速度快这一特点也限制了对切削过程的认识。为了研究切削过程各类物理参量的变化规律,进而应用到工程实际,提出了从流动的角度去认识切削过程的思路。分析了从材料流动观点研究应变率的依据,提出了一种基于网格测量的应变率计算方法,获得了切削过程应变率的分布,并与计算机模拟计算结果进行了对比分析,结果表明前刀面上的应变率受前刀面摩擦的影响,越靠近前刀面应变率越大,中心剪切面上应变率在剪切面方向上最大,且剪切面两端（刀尖与自由表面处）数值最大;从流动的观点研究应变率的分布,可实现较为粗糙的应变率定量研究。     

20号钢的冲击拉伸力学性能试验研究

利用旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置对20号钢进行了三个应变率的冲击拉伸试验研究，得到了材料在不同应变率下的应力应变曲线。结果表明，随着应变率的增加，材料的极限强度随之增大，具有明显的应变率强化效应。根据材料住不同应变率下的试验结果，拟合了Johnson—Cook模型中的材料常数，并修正了应变率强化系数C，确定了20号钢的Johnson—Cook本构关系。数据拟合结果与试验结果吻合良好。     

中应变率下HTPB推进剂压缩力学性能和本构模型研究

为研究固体推进剂在中应变率条件下的压缩力学性能,在高应变率液压伺服试验机上开展了单轴压缩实验,并获取了温度范围为-40~25℃及0.40~85.71s-1应变率下HTPB推进剂的应力-应变曲线。结果表明,本文的实验方法是有效的,温度和应变率对HTPB推进剂的压缩力学性能影响显著。随温度降低和应变率升高,应力-应变曲线特性变得更加复杂,并与准静态下的应力-应变曲线特性有明显区别。压缩模量E和压缩应力σ0.17随温度的降低和应变率的升高而逐渐增加,且均与应变率具有相对较好的线性双对数关系。在低温和较高应变率的双重作用下,-40℃,85.71s-1条件下的压缩模量E和压缩应力σ0.17分别为25℃,0.40s-1条件下数值的10.64倍和4.25倍。基于时温等效原理,得到了HTPB推进剂的压缩力学性能主曲线,该主曲线能够对低温较宽应变率范围内推进剂的压缩力学性能进行预测。在朱-王-唐非线性粘弹性本构模型的基础上,构建了考虑温度和应变率效应的固体推进剂中应变率压缩本构模型,并采用遗传算法拟合了本构参数。通过不同温度和应变率下预测结果与实验数据的比较,验证了模型的有效性。所建模型能够较好地描述0.17应变以内HTPB推进剂的压缩变形,可为低温中应变率下固体火箭发动机药柱的结构完整性分析提供理论基础。     

面向高速切削的钛合金Ti-6Al-4V动态本构模型:综述

高速切削是实现钛合金等难加工材料高效、高质量加工的有效技术方法。钛合金高速切削加工过程具有高温、高应变和高应变率的热力强耦合非线性动态特征。为了准确描述高速切削时钛合金动态力学行为，对钛合金动态本构模型的研究进行综述。以钛合金Ti-6Al-4V为研究对象，从唯象模型和物理学模型的角度，分析了Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Bammann模型的适用条件及优缺点。经综合比较，选取Johnson-Cook模型开展进一步探究，并且基于温度影响和竞争机制影响对Johnson-Cook修正模型进行分类，Johnson-Cook修正模型的预测精度与经典模型的预测精度相比均有所提高；同时提出可将构建唯象-物理学复合本构模型作为探究钛合金动态本构模型的重点方向，采取实验与计算机同步方法得到本构模型参数的最优解，从而提高动态本构模型的预测精度。     

几种典型BCC金属的塑性流动特征及本构模型综述

为了理解BCC金属的塑性流动特征并研究其本构关系,本文对多晶Ta、V、Nb及高强度低合金钢HSLA-65和DH-36在温度从77K到1000K,应变率从0.001/s到8000/s,真实塑性应变超过35%的塑性流动行为进行了系统研究。结合试验结果,对塑性流动本构模型进行了推导。得出:(1)合金钢HSLA-65和DH-36与多晶金属Ta、V、Nb具有类似的塑性变形特征;(2)BCC金属的塑性流动应力对应变率和温度非常敏感,但加载历史对流动应力影响较小,即演化后的微观结构组织其流动应力并不变化;(3)在低应变率下出现的动态应变时效现象随应变率的增加,时效温度区将移至更高区域;(4)基于位错运动学和动力学,结合系统试验结果,所推导的基于物理概念本构模型通式,在很宽温度很宽应变率范围内能较好的预测BCC金属的塑性流动应力。     

7B04铝合金厚板蠕变时效成形有限元分析

蠕变时效成形是一种针对制造大型飞机整体壁板零件而开发的成形工艺.该工艺基于材料在适当温度下能同时进行人工时效和蠕变,从而引发应力松弛,使得成形后零件的力学性能好且生产成本低.根据试验数据确定了铝合金材料蠕变本构方程中的材料常数,并应用商业化有限元软件ABAQUS分析了7B04铝合金厚板的弯曲蠕变过程及回弹效应.     

ZrO2陶瓷切向超声辅助磨削表面及亚表面损伤机制

为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面损伤机理,基于应变率模型对其磨削过程中材料的动态力学性能进行分析,并在此基础上建立了硬脆材料的脆-塑转变临界切削深度模型与微裂纹损伤深度模型。研究发现,脆-塑转变临界切削深度和微裂纹损伤深度均与应变率有关,其中临界切削深度随着应变率的增加而增加,而横向裂纹损伤深度与中位裂纹损伤深度均随应变率的增加而减小。通过ZrO₂陶瓷切向超声辅助磨削试验进行验证。试验结果表明：由于切向超声振动的引入提高了材料应变率,进而提高了材料的动态断裂应力以及动态断裂韧性,从而扩大了ZrO₂陶瓷的塑性域去除范围,降低了加工表面的横向裂纹与中位裂纹损伤深度,使得ZrO₂陶瓷的表面及亚表面质量得到明显改善。试验结果与理论分析相一致,为进一步揭示切向超声辅助磨削过程中硬脆材料的表面及亚表面微观损伤机理提供了理论参考。     

超硬铝合金的微观组织和力学性能的研究

超硬铝合金是飞机制造业中广泛应用的一种结构材料,但目前对于国产和进口超硬铝合金板材的组织与性能之间的差异尚不清楚.为此,针对国产7B04超硬铝合金板材以及具有相同化学成分的俄罗斯进口B95ПЧ超硬铝合金板材分别进行了微观组织观察、室温拉伸性能测试,确定了国产7B04和俄罗斯进口B95ПЧ超硬铝合金板材的室温抗拉强度、屈服强度、断裂延伸率,并主要针对国产7B04和俄罗斯进口B95ПЧ超硬铝合金板材在工业状态下的微观组织、室温力学性能进行了比较.     

高应变率条件下38CrMoAl钢的动态力学行为及失效模型

38CrMoAl钢是飞机某频繁经受冲击载荷结构的主要材料，为了获得该钢在冲击载荷下的力学行为和失效参数，本文对38CrMoAl钢开展了准静态试验、应变率从650 s^-1至5 500 s^-1的动态力学试验以及应力三轴度试验，对材料的金相组织和断口形貌进行了微观观察分析，最后基于试验结果确定了材料的修正强度模型和失效模型参数。试验结果表明，38CrMoAl钢具有较强的应变率敏感性，材料屈服强度随着应变率的增加具有正应变率强化效应，应变率在10^-3~5 500 s^-1的范围变化时，屈服应力从450 MPa上升到了1 085 MPa，应变率为5 500 s^-1时材料的屈服应力达到了准静态条件下的2.41倍。对材料组织的微观观察分析发现材料主要由呈现颗粒状的回火索氏体组成，材料在高应变速率加载下其塑性发生了下降，断口由韧窝型塑性断口向局部解理断面发生转变，韧窝尺寸也随着应变率的升高而变小。对Johnson-Cook（J-C）强度模型中的应变率强化项进行了修正，使修正后的本构模型可以更有效地描述38CrMoAl钢的动态力学行为，最后结合数值模拟方法确定了材料的J-C失效准则参数。