Gleeble—1500试验机的热模拟技术

一种修正的N o r t o n ‐H o f f 本构模型及实验验证王巧玲 唐炳涛 郑 伟山东建筑大学,济南,250101摘要:针对B 1500H S 硼钢,采用G l e e b l e ‐1500D 热模拟试验机,通过单轴拉伸试验对其在温度为550~850℃㊁应变速率为0.1~10s-1范围内的本构关系进行了研究㊂根据硼钢流动应力曲线的特点,对N o r t o n ‐H o f f 模型进行了修正,将修正后的模型与B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型和T o n g‐W a h l e n 模型进行比较,并通过预测值偏离实验值的程度进行评估㊂与实验结果对比后发现:修正的N o r t o n ‐H o f f 模型能更好地预测B 1500H S 硼钢的流动应力㊂关键词:本构模型;硼钢;流动应力;N o r t o n ‐H o f f 模型;T o n g‐W a h l e n 模型中图分类号:T G 115.5 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.14.023A M o d i f i e dN o r t o n ‐H o f fC o n s t i t u t i v eM o d e l a n dE x pe r i m e n t a lV e r if i c a t i o n W a ng Q i a o l i n g T a n g B i n g t a o Zh e n g We i S h a n d o n g J i a n z h uU n i v e r s i t y,J i n a n ,250101A b s t r a c t :I no r d e r t o e s t a b l i s hc o n s t i t u t i v e d e s c r i p t i o n s f o rB 1500H Sb o r o ns t e e l ,i tw a s s u b je c t e d t o i s o t h e r m a l u n i a x i a l t e n s i l e t e s t i n g o naG l e e b l e1500t h e r m o m e c h a n i c a l s i m u l a t o ra t t e m pe r a t u r e s r a n g i n gf r o m550℃t o 850℃a n d s t r a i n r a t e s r a ng i n g f r o m0.1s -1t o 10s -1.A c c o r d i n g t o t h e c h a r a c -t e r i s t i c s o f t h e f l o ws t r e s s c u r v e o f b o r o ns t e e l ,N o r t o n ‐H o f fm o d e lw a sm o d i f i e d .T h e p r e d i c t e d f l o ws t r e s s e s u s i n g t h em o d i f i e dm o d e lw e r e c o m p a r e dw i t hT o n g ‐W a h l e nm o d e l ,N o r t o n ‐H o f fm o d e l p r o -p o s e db y B r o s i u s ,a n d e v a l u a t e db y t h ed e g r e eo f t h e p r e d i c t e dv a l u ed e v i a t i o n f r o mt h e e x pe r i m e n t a l v a l u e s .B y c o m p a r i s o nw i t h t h e e x pe r i m e n t a l r e s u l t s ,i t s h o w s t h a t t h em o d if i e dN o r t o n ‐H o f fm o d e l i s b e t t e r t o p r e d i c t t h e f l o ws t r e s s o fB 1500H Sb o r o ns t e e l .K e y w o r d s :c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n ;b o r o n s t e e l ;f l o ws t r e s s ;N o r t o n ‐H o f fm o d e l ;T o n g ‐W a h l e nm o d -e l收稿日期:20141008基金项目:国家自然科学基金资助项目(51375280);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(N C E T ‐12‐1028);山东省自然科学基金资助重点项目(Z R 2013E E Z 003)0 引言随着汽车行业的快速发展,汽车轻量化和防撞性能的提升成为行业发展的趋势之一㊂超高强度钢在汽车领域的应用,可以在满足轻量化的同时提升汽车安全性能㊂目前,国外已经开始大批量使用含硼热冲压用钢,并且热冲压成形后的零件具有很多优良特性,拥有广阔的应用前景[1‐2]㊂高温成形过程中硼钢的热变形行为和高温本构关系模型在硼钢的数值模拟㊁热冲压成形技术的应用等方面起着重要作用㊂目前,对于金属材料而言,存在两种类型的本构关系㊂一种类型称为唯象模型,该模型并不涉及材料变形的微观机制,并且只考虑宏观变形参数(变形温度㊁应变速率和应变)对流动应力的影响㊂唯象模型只能从实验观察得到数据,缺乏深层次的理论依据及应用范围㊂由于该模型具有容易获得参数的优点,故被广泛采用㊂常见的模型包括J o h n s o n ‐C o o k 方程[3‐5]㊁Z e r i l l i ‐A r m -s t r o n g 方程[6]㊁A r r h e n i u s 方程[7‐8]及V o c e ‐K o c k s 方程[9]㊂另一种类型是基于物理的模型,该模型不仅考虑宏观变形参数,而且考虑高温塑性变形的物理机制,如位错运动㊁位错滑移等㊂与唯象模型相比,基于物理的模型中有更多的参数,所以建立的过程比较复杂,但它具有更高的精确度和更大的适用范围㊂本文利用G l e e b l e ‐1500D 热模拟试验机对硼钢奥氏体试样进行单向拉伸试验,考虑应变量㊁应变速度㊁温度㊁变形强化等因素,在N o r t o n ‐H o f f本构关系的基础上,提出了一种新的模型用于描述硼钢的热力学行为,用构建的本构方程计算硼钢在高温环境下拉伸试验的流动应力,并与B r o -s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型和T o n g ‐W a h l e n 模型进行了对比,验证了预测结果的可靠性㊂1 实验设备及方法利用G l e e b l e ‐1500D 热模拟试验机对厚度为1.6m m 的B 1500H S 试样进行了系列单向热拉伸㊂拉伸试样的结构尺寸及热电偶丝位置如图1所示㊂㊃8791㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图1 B1500H S热拉伸试样及热电偶焊接位置(T C1,T C2,T C3)试样以16℃/s的速度加热至930℃并保温5m i n以充分奥氏体化,然后以50℃/s的速度冷却至指定温度(850℃㊁800℃㊁750℃㊁700℃㊁650℃㊁600℃㊁550℃),在指定温度下保温10s,恒温下利用G l e e b l e热模拟试验机进行拉伸试验,应变速率ε㊃分别取0.1s-1㊁1.0s-1㊁10s-1,获得不同温度下的拉伸应力应变曲线㊁热电偶测得的温度曲线㊁位移力关系曲线㊂2 修正的N o r t o n‐H o f f模型B r o s i u s等在文献[10]中描述过N o r t o n‐H o f f模型,N o r t o n‐H o f f模型是唯象本构模型的一种,大多数本构模型运用经验分析方法,表达流动应力的应变㊁温度㊁应变速率的相互影响,原N o r t o n‐H o f f模型为σy(εp,ε㊃p,θ)=KεKε㊃Kθ=K e x p(β/θ)εn pε㊃m p(1)其中,εp为应变;ε㊃p为应变速率;n为应变硬化指数;m为应变速率敏感指数;β㊁K为待定系数㊂为了精确地描述原始屈服应力,以及温度θ对Kε㊁Kε㊃的影响,将式(1)的参数n㊁m变为温度的函数, B r o s i u s提出了以下N o r t o n‐H o f f本构模型:σy(εp,ε㊃p,θ)=K(b+εp)n0e x p(-c n(θi-θ0))ε㊃m0e x p(c m(θi-θ0))e x p(β/θ)(2)其中,n0㊁c n㊁m0㊁c m㊁b㊁β为待定系数,θ0为室温,θi 为试验温度㊂图2所示为B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型预测值与实验值的比较,可以发现真实应力‐应变曲线是动态回复型,变形初始阶段,应力随加载的进行而增大,当增大到材料的屈服应力后开始出现塑性流动,当材料出现稳定的亚结构后,流动应力趋于稳定值[11]㊂从图2a可以看出,温度为650℃㊁应变速率为0.1~10s-1时,应变在0~0.3范围内,应力的预测值与实验值相比,预测值偏大,应变在0.45~0.8的范围内预测值曲线呈现上升趋势,而实验曲线趋于稳定,B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型的软化效果不明显㊂从图2b 可以看出,当应变速率为1s-1㊁温度为550℃时,模型的预测值在应变为0~0.1时大于实验值,在应变为0.1~0.3时小于实验值;温度为600℃时,模型应力明显小于实验值;温度为650~850℃㊁应变大于0.45时,B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f 模型软化效果不明显㊂上述分析说明,在大范围的应变条件下,B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型对应变的考虑欠缺,使模型对实验值预测的精确度降低㊂(a)温度为650℃(b)应变速率为1s-1图2 B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型预测值与实验值比较针对B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型在应变较大时软化不明显的缺点,在大应变范围内考虑应变对流动应力的影响,本文提出了一种修正的N o r t o n‐H o f f模型,在B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型的基础上增加了一项e x p(pεp)(p是常数),代表材料的软化行为,p变大,代表软化加剧[12],该修正的N o r t o n‐H o f f模型为σy(εp,ε㊃p,θ)=K(b+εp)n0e x p(-c n(θi-θ0))ε㊃m0e x p(c m(θi-θ0))㊃e x p(β/θ)e x p(pεp)(3)3 模型对比及实验验证3.1 与B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型的比较图3所示为修正的N o r t o n‐H o f f模型拟合结果与B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型拟合结果的对比,由图3a可以看出,温度为650℃㊁各应变速率下,在应变为0~0.15范围内,B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型的曲线与实验曲线相比偏高,而修正后模型的曲线更接近实验曲线㊂当应㊃9791㊃Copyright©博看网. All Rights Reserved.变为0.1㊁应变速率为10s -1时,B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型与修正后模型的应力分别比实验数据增大12.51%和7.97%;当应变速率为1s -1时,B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型与修正后模型的应力分别比实验数据增大7.74%和3.44%;应变速率为0.1s -1时,B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型与修正后模型的应力分别比实验数据增大9.22%和4.91%㊂在应变为0.15~0.5范围内,B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型的曲线与实验曲线相比偏低,而修正后模型的曲线更接近实验曲线㊂在应变为0.4情况下,应变速率为10s -1时,B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型与修正后模型的应力分别比实验数据减小5.02%和1.57%;应变速率为1s -1时,B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型的应力比实验数据减小1.34%,而修正后模型的应力比实验数据增大2.3%;应变速率为0.1s -1时,B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型与修正后模型的应力分别比实验数据减小6.6%和3.12%㊂应变超过0.5以后,B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型应力明显仍在增大,而修正后模型符合原始曲线的趋势趋于平稳㊂如图3b 所示,应变速率为1s -1㊁温度为550~850℃时,修正后模型的拟合效果普遍好于B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 模型,但是在温度为(a )温度为650℃(b )应变速率为1s-1图3 修正的N o r t o n ‐H o f f 模型拟合结果与B r o s i u s提出的N o r t o n ‐H o f f 模型拟合结果对比600℃时,两个方程的拟合效果都不理想,预测值与实验值相比,预测值偏低;温度为850℃时,预测值与实验值相比,预测值偏高,可能是由实验的误差造成的㊂由以上分析可以看出,本文提出的修正的N o r t o n ‐H o f f 本构模型比B r o s i u s 提出的N o r t o n ‐H o f f 本构模型精确度高,对由拉伸试验获得的数据的拟合效果好㊂3.2 与T o n g‐W a h l e n 模型的比较T o n g‐W a h l e n 模型是同时考虑基于物理和经验参数的模型,在Z e n e r ‐H o l l o m o n 参数Z (Z是温度补偿应变速率因子)的基础上,W a h l e n等[13]提出了关于应变速率㊁温度和应力的关系模型:Z =ε㊃pe x p (Q /(R θ))=K σn(4)其中,Q 是变形激活能;R 是摩尔气体常数,R =8.314472J /(m o l ㊃K ),求解式(4)中的σ,得σy =K-1/n [ε㊃e x p (Q /(R θ))]1/n =A [ε㊃e x p (Q /(R θ))]m (5)为了显示应变对流动应力的影响以及回复和再结晶对软化效果的影响,T o n g 等[14]提出了以下模型:σy (εp ,ε㊃p ,θ)=A [ε㊃p ex p (Q /(R θ))]m㊃[1+αe x p (-c (εp -ε0)2)][1-βe x p (-N εn p )](6)式(6)等号右边第2项考虑了回复和再结晶导致的软化效果,增加的第3项(H o c k e t t ‐S h e r b y 型方程)考虑了应变强化效果㊂由于实验数据显示流动应力没有显著减小,故将第2项忽略以简化模型,并且因为随温度增长,应变速率敏感性增大,B u r k h a r d t [15]定义应变速率指数m 为温度的线性函数,T o n g‐W a h l e n 模型为σy =A [ε㊃m 1(θ-θ0)pe x p (m 2Q /(R θ))][1-βe x p (-N εn p )](7)其中,A ㊁m 1㊁m 2㊁β㊁N ㊁n ㊁θ0为待定系数㊂对于B 1500H S ,Q =280k J /m o l ㊂将修正的N o r t o n ‐H o f f 模型与T o n g‐W a h l e n 模型进行比较,如图4所示㊂从图4a 可以看出,温度为750℃㊁应变在0~0.3之间时,T o n g‐W a h l e n 模型的预测值与实验值相比明显偏大㊂例如,当应变为0.1㊁应变速率为0.1s -1时,T o n g‐W a h l e n 模型的应力比实验数据大11.84%,而修正后模型的应力比实验数据小5.78%㊂应变为0.3~0.8时,T o n g‐W a h l e n 模型的预测值与实验值相比明显偏小㊂例如,当应变为0.6㊁应变速率为0.1s -1时,T o n g‐W a h l e n 模型与修正后模型的应力分别比实验数据小11.87%和7.27%㊂从图4b 可以看出,应变速率㊃0891㊃Copyright ©博看网. All Rights Reserved.为1s-1时,T o n g‐W a h l e n模型除了在温度为650℃时拟合效果较好以外,其他温度条件下拟合效果都不好,尤其是温度在700~850℃之间时,T o n g‐W a h l e n模型的预测值在应变为0~0.3时的应力预测值远远偏离实验值,比实验值高㊂从以上分析可以看出,修正的N o r t o n‐H o f f模型能较好地弥补T o n g‐W a h l e n模型的缺点,满足实验拟合精度的要求㊂(a)温度为750℃(b)应变速率为1s-1图4 修正的N o r t o n‐H o f f模型拟合结果与T o n g‐W a h l e n模型拟合结果的对比4 结论(1)本文针对硼钢B1500H S热变形行为进行了研究,提出了修正的N o r t o n‐H o f f模型㊂通过与B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型的比较,发现修正后的模型比B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f 模型更接近实验值,偏离实验值的百分比低于B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型,并且修正的模型弥补了B r o s i u s提出的N o r t o n‐H o f f模型在拉伸试验后期应变较大时软化效果不明显的缺点,能更好地与真实应力‐应变曲线进行拟合㊂(2)在真实应力‐应变曲线的基础上,对修正的N o r t o n‐H o f f模型与T o n g‐W a h l e n模型的应力数据进行比较,发现在较大应变范围内,修正的N o r t o n‐H o f f模型比T o n g‐W a h l e n模型更为接近实验数据,尤其是在700~850℃的范围内,修正后模型的拟合效果更好㊂参考文献:[1] 徐虹,沈永波,孟佳,等.热冲压成形车门防撞梁组织和性能研究[J].锻压技术,2011,36(6):24‐27.X u H o n g,S h e n Y o n g b o,M e n g J i a,e ta l.S t u d y o nM i c r o s t r u c t u r e a n d P r o p e r t i e s o f H o t S t a m p i n gD o o rA n t i‐i m p a c tB e a m[J].F o r g i n g&S t a m p i n gT e c h n o l o g y,2011,36(6):24‐27.[2] 徐伟力,艾健,罗爱辉,等.钢板热冲压新技术介绍[J].塑性工程学报,2009,16(4):39‐43.X u W e i l i,A i J i a n,L u o A i h u i,e ta l.I n t r o d u c t i o no fS h e e tM e t a lH o t‐f o r m i n g[J].J o u r n a lo fP l a s t i c i t yE n g i n e e r i n g,2009,16(4):39‐43.[3] J o h n s o nGR,C o o kW H.F r a c t u r eC h a r a c t e r i s t i c s o fT h r e e M e t a l sS u b j e c t e dt o V a r i o u sS t r a i n s,S t r a i nR a t e s,T e m p e r a t u r e sa n dP r e s s u r e s[J].E n g i n e e r i n gF r a c t u r eM e c h a n i c s,1985,21(1):31‐48.[4] 刘丽娟,吕明,武文革.T i‐6A l‐4V合金的修正本构模型及其有限元仿真[J].西安交通大学学报,2013, 47(7):73‐79.L i uL i j u a n,LüM i n g,W uW e n g e.A n I m p r o v e dC o n-s t i t u t i v e M o d e la n d F i n i t eE l e m e n tS i m u l a t i o nf o rM a c h i n i n g T i‐6A l‐4V A l l o y[J].J o u r n a lo fX i’a nJ i a o t o n g U n i v e r s i t y,2013,47(7):73‐79. 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All Rights Reserved.S t u d y o n H o t D e f o r m a t i o n B e h a v i o r a n d F l o wS t r e s sC o n s t i t u t i v eM o d e l o f22M n B5a tH i g hT e m-p e r a t u r e[J].C h i n aM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2014,25(9):1256‐1260.[9] N a d e r iM,D u r r e n b e r g e rL,M o l i n a r iA,e t a l.C o n s t i-t u t i v eR e l a t i o n s h i p sf o r22M n B5B o r o n S t e e lD e-f o r m e d I s o t h e r m a l l y a tH ig hT e m p e r a t u r e s[J].M a-t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g:A,2008,478:130‐139.[10] B r o s i u sA,K a r b a s i a nH,T e k k a y aAE,e t a l.M o d e-l l i e r u n g u n d S i m u l a t i o n d e r W a r m b l e c h u m f o r-m u n g:A k t u e l l e rS t a n du n dZ u kün f t i g e rF o r s c h u n-g s b e d a r f[C]//E r l a n g e r W o r k s h o p W a r m b l e c h u m-f o r m u n g.E r l a ng e n,2007:37‐58.[11] 周计明,齐乐华,陈国定.热成形中金属本构关系建模方法综述[J].机械科学与技术,2005,24(2):212‐215.Z h o uJ i m i n g,Q iL e h u a,C h e n G u o d i n g.I n v e s t i g a-t i o no nt h eC o n s t i t u t i v eR e l a t i o n s h i p o f M a t e r i a l sF o r m i n g i nH i g hT e m p e r a t u r e[J].M e c h a n i c a l S c i-e n c e a n dT e c h n o l o g y,2005,24(2):212‐215.[12] Z h a n g C h a o,L iX i a o q i a n g,L iD o n g s h e n g,e ta l.M o d e l i z a t i o na n dC o m p a r i s o no fN o r t o n‐H o f f a n dA r r h e n i u sC o n s t i t u t i v eL a w s t oP r e d i c tH o tT e n-s i l eB e h a v i o r o fT i‐6A l‐4V A l l o y[J].T r a n s a c t i o n so fN o n f e r r o u s M e t a l sS o c i e t y o fC h i n a,2012,22(Z2):457‐464.[13] W a h l e n A,F e u r e r U,R e i s s n e rJ.C o m p u t e rC o n-t r o l l e d M e a s u r e m e n ta n d A n a l y t i c a l M o d e l l i n g o fF l o wS t r e s s e s d u r i n g H o tD e f o r m a t i o no f t h eC o p-p e r A l l o y C u Z n42M n2[J].J o u r n a lo f M a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y,1997,63(1/3):233‐237.[14] T o n g L,S t a h e lS,H o r aP.M o d e l i n g f o rt h eF E‐s i m u l a t i o n o f W a r m M e t a l F o r m i n g P r o c e s s e s[C]//P r o c e e d i n g s o f t h e6t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r-e n c e a n dW o r k s h o p o nN u m e r i c a l S i m u l a t i o n o f3DS h e e tM e t a l F o r m i n g P r o c e s s e s.D e t r o i t,2005:625‐629.[15] B u r k h a r d tL.E i n e M e t h o d i k Z u r V i r t u e l l e n B e-h e r r s c h u n g T h e r m o‐m e c h a n i s c h e r P r o d u k t i o n-s p r o z e s s e B e i d e r K a r o s s e r i e h e r s t e l l u n g[D].Zür i c h:E i d g e n o s s i s c h e T e c h n i s c h e H o c h s c h u l eZür i c h,2008.(编辑 陈 勇)作者简介:王巧玲,女,1990年生㊂山东建筑大学工程力学研究所硕士研究生㊂主要研究方向为超高强钢热成形过程本构模型㊂唐炳涛,男,1976年生㊂山东建筑大学工程力学研究所副教授㊂郑 伟,男,1982年生㊂山东建筑大学工程力学研究所讲师㊂ 中国创新论坛之走进天津”活动举行 2015年6月27日上午,中国机械工程学会和天津市科学技术协会主办,由天津市机械工程学会㊁天津百利装备集团承办的 中国创新论坛之走进天津”活动在天津大礼堂隆重召开㊂中国工程院院长㊁中国机械工程学会理事长周济院士出席论坛并做主旨报告㊂天津市副市长何树山出席论坛并致辞㊂会议由天津市科协主席㊁中国科学院院士饶子和主持㊂出席会议的还有天津市科协㊁天津市工业和信息化委员会等相关行业的领导㊂中国机械工程学会十届八次常务理事(扩大)会议的代表及天津市科技工作者近400人参加了此次论坛㊂在主旨报告会上,首先由周济院长作了题为 智能制造 中国制造2025’的主攻方向”的报告㊂报告提到,实施 中国制造2025”,主题是创新驱动发展,主线是工业化和信息化两化深度融合,主攻方向是智能制造㊂智能制造 制造业数字化网络化智能化是新一轮工业革命的核心技术,应该作为制造业创新驱动㊁转型升级的制高点㊁突破口和主攻方向㊂推进智能制造工程,要采取 总体规划㊁分步实施㊁重点突破㊁全面推进”的发展策略, 十年规划,两个阶段”,分阶段实现工业2.0㊁3.0㊁4.0的同步发展㊂中国工程院院士陈予恕作了题为 机械运载装备的安全运行与机械动力学 轨道车辆和航空发动机”的报告㊂他指出, 中国制造2025”作为我国制造业未来十年的行动纲领,对 行业基础和共性关键技术研发”项目给予了极大的重视和安排,而机械动力学及其控制技术是许多行业的基础和共性关键技术㊂陈院士就我国轨道交通车辆和航空发动机领域影响安全运行的动力学问题的研究现状㊁已取得成果和存在问题作了介绍㊂天津市工业和信息化委员会党组书记㊁主任李朝兴作了题为 加快推进京津冀产业协同发展打造全国先进制造研发基地”的报告㊂报告从天津制造业所面临的机遇以及承担的使命角度出发,对其规划体系,发展目标㊁重点㊁路径和布局问题进行了深入阐述,并就如何落实的相关政策和措施进行了解读㊂中国创新论坛之走进地方系列活动是由中国机械工程学会策划并组织的服务区域经济,促进地方装备制造业发展的系列活动㊂从2009年起,已经分别举行了 走进包头”㊁ 走进山东”㊁ 走进德阳”㊁ 走进长春”㊁ 走进银川”㊁ 走进山西”㊁ 走进黑龙江”㊁ 走进辽宁”等活动,取得了良好的社会效果㊂(工作总部)㊃2891㊃Copyright©博看网. 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Gleeble介绍什么是物理模拟？材料加工的物理模拟包括在实验室中热和机械条件的精确复制，使原材料符合最终用途的实际需要。

一个简单例子是应用在物理模拟。

材料遵从一定的热和力的特性，故可以控制整个加工过程，使材料达到最终要求。

如果可以模拟环境，其结果将非常有效。

精确地模拟之后，结果将会从实验室毫无偏差地转移到产品生产。

第一章、为什么物理模拟？在动力系统我们经常被质疑？为什么物理模拟？这不是物理测试的另外一种表达么？不，他们不一样。

当然所有的物理模拟包括物理测试，但是他们最大的不同点是物理模拟试图在实验室中重现现实环境的条件，使得所得到的结果可以解决实际问题。

比如，可以很容易地加热金属试样到均匀温度，然后挤压，测量在一定温度时的变形。

这是物理测试，如果条件理想，会生成一个重复性的结果。

如果实验者需要从进程中得到金属的微观结构，或者想模拟进程而获得对改进进程更好的理解，那么对进程的物理模拟就显得至关重要。

比如，如果实验者的目标是为新的金属品种制定一套轧制工艺，则需要大量的信息。

观察过钢铁轧制的人都会注意到钢铁边缘比中心颜色略深，而边角处的颜色更深。

这是因为钢板边缘处比中心冷却速度快。

结果造成钢板温度不均匀；从钢板热到冷的部分之间形成一个热梯度。

在每次加热和冷却过程中金属制品都存在热梯度。

研究证明：热梯度影响延展性和金属的实用性。

细心的实验者会会模拟所有这些热梯度而在实验室获得极有价值的数据，形成一套成功的轧制工艺。

必须进行一系列频繁的物理模拟，一个模拟钢板的角，另一个模拟边缘，还有边缘靠近中心一点……。

然后将这些数据连接起来形成一个精确的具有指导意义的模型，应用于操作参数的设置，然后指导生产。

以下是物理热模拟的一些例子：通过热模拟优化连铸过程一旦涉及连铸机的精确调整以达到最优，钢铁企业总是采取非常保守的方法，尽量每次作一些微小的调整，这很可以理解，顾及到代价高额的连铸成本，无人敢对连铸机的停产或者一大堆废品负责。

时效态高强铝合金热变形行为及微观组织演变李萍;陈慧琴【摘要】采用热力模拟试验方法对具有时效态和过时效态初始组织的新型 Al-Zn-Mg-Cu 高强铝合金试样进行了热压缩实验，分析了在热变形过程中的流变行为和微观组织演变。

研究结果表明，时效态与过时效态试样都具有动态回复型流变应力曲线特征，且相同变形条件下时效态试样的流变应力高于过时效态流变应力，平均应力指数值分别为6.4525和5.6459，热变形激活能值分别为247.457 kJ/ mol 和178.252 kJ/ mol.两种状态试样热变形组织演变基本规律为：高温条件下，析出相溶入基体组织，晶粒长大倾向高；当变形程度较大时（60%~80%），可以获得细小的晶粒组织；低温变形条件下，析出相含量较高，晶粒长大倾向小。

比较发现，高温变形过程中，时效态试样晶粒长大倾向小，变形程度较大时晶粒组织更加细小均匀；而过时效态试样晶粒组织经历了变形较小时的粗化到变形较大时的细化。

%Hot-compression experiments of new Al-Zn-Mg-Cu alloy with as-aged and as-overaged starting structures were carried out by thermo-mechanical modeling testing method. Hot-deformation Behavior and microstructure evo-lution of the alloy with as-aged and as-overaged starting structures have been analyzed. The results indicate that both samples have the dynamic recovery flow stress curves with higher stress of as-aged samples at the same de-formation conditions. The average stress exponents are 6. 4525 and 5. 6459 respectively,and the average hot-de-formation active energy are 247. 457 kJ/ mol and 178. 252 kJ/ mol respectively for the as-aged and the as-overaged samples. Microstructure evolutions during hot deformation of both samples are that precipitatedphases dissolved in-to the matrix,and grain grows fast during deformation at higher temperature;while refined grains can be obtained when high reduction is great than 60% ~ 80% . However,the content of precipitated phases is higher,and grain grows slowly during deformation at lower temperature. By comparing analyses,it is shown that refined grains after lager strain are smaller and more uniform for the as-aged samples due to lower grain growth rate at the high temper-ature deformation conditions;while grain coarsening occurs at small strain and grain refining presents at large strain for the as-overaged samples at high-temperature deformation processes.【期刊名称】《太原科技大学学报》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】6页(P358-363)【关键词】高强铝合金;热变形;流变应力;微观组织【作者】李萍;陈慧琴【作者单位】太原科技大学，太原 030024;太原科技大学，太原 030024【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+高强铝合金是航天航空领域的主要结构材料[1]。

TB9钛合金摩擦修正热变形分析和热加工图的建立王春阳, 王玉会*, 李 野, 张旺峰（中国航发北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室, 北京100095）σ=arcsin h [˙εexp(Q RT )A]1nα摘要：采用TB9钛合金作为研究对象，在Gleeble-1500热模拟设备上对圆柱试样进行高温等温压缩实验，热压缩温度为750～1000 ℃，应变速率为0.01～10 s −1，对获得的实验结果进行摩擦修正，并根据摩擦修正后的应力-应变曲线绘制热加工图。

结果表明：摩擦修正后的应力-应变曲线明显低于修正前的曲线，且随着应变的增加，摩擦修正前后的应力差值逐渐增加；计算获得了经过摩擦修正的真应力-应变曲线，可用该式预测TB9钛合金在750～1000 ℃，不同应变速率条件下的应力。

失稳变形会导致TB9钛合金产生与压缩方向呈约45°的流变局域化区域变形带，合金的组织均匀性较差；在适宜的工艺窗口内热加工，合金主要发生动态再结晶和动态回复，可以改善显微组织，提高合金的性能。

根据建立的热加工图，得出了TB9 钛合金的适宜热变形工艺参数为：变形温度850～1000 ℃，应变速率0.01～1 s −1。

关键词：TB9钛合金；热压缩；热加工图；应力修正doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2021.000125中图分类号：TG146.2 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2022)02-0011-09钛合金由于密度小、比强度高、耐腐蚀等优良的特性在航空领域得到广泛应用[1-3]。

TB9钛合金是一种高强高韧型亚稳态β钛合金，与国外的βC(Ti38644)完全相近，其名义成分为Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr ，属于高强钛合金，经过冷热加工和时效工艺匹配，其室温抗拉强度可达1600 MPa ；而固溶态的TB9钛合金，具有良好的室温塑性，冷加工性能优良，被广泛的用做飞机用弹簧和紧固件材料[4-5]。

AISI403马氏体不锈钢的热变形特性研究马龙腾;王立民;胡劲;刘正东;张秀丽【摘要】采用Gleeble-1500D热模拟试验机对AISI403马氏体不锈钢进行高温热压缩实验,结合金相组织观察,对其流变应力进行了研究.结果表明:403钢在950～1150℃,应变速率为0.01～0.1s-1的条件下,发生了较明显的动态再结晶；利用Zener-Hollomon参数的双曲对数函数能较好地描述403钢的流变行为；经回归得到了403钢峰值应力σp的表达式和热变形激活能Q值；通过热加工图的建立获得最佳热变形条件及预测流变失稳区.%The hot compression experiment of AISI403 martensitic stainless steel was carried out by using Gleeble-1500D,and its flow stress was also investigated by means of microstructure analysis.The results show that the dynamic recrystallization of 403 steel occurs obviously at 950-1150℃ and strain rate from 0.01s-1 to 0.1s-1.The flow stress of 403 steel can be described well by a Zener-Hollomon parameter in the hyperbolic logarithm type equation.The regressed peak stress expression σp and the hot deformation activation energy Q of 403 steel during hot compression were concluded.Through the establishment of hot processing map,the best hot compression condition and the instability zones of flow behavior were acquired.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】6页(P38-43)【关键词】AISI403马氏体不锈钢;动态再结晶;热加工图【作者】马龙腾;王立民;胡劲;刘正东;张秀丽【作者单位】昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明 650093;钢铁研究总院特殊钢研究所,北京 100081;钢铁研究总院特殊钢研究所,北京 100081;昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明 650093;钢铁研究总院特殊钢研究所,北京 100081;东北特钢集团抚顺特殊钢股份有限公司技术中心,辽宁抚顺 113001【正文语种】中文【中图分类】TG111.7据国际原子能机构公开的资料，在世界第一座核反应堆运行成功至今的60余年里，核能已经占世界能源总消耗量的6%左右[1］。

铸态和锻态高强铝合金热变形组织的演变王金亮;赵晓东;陈慧琴【摘要】采用Gleeble-1500D热力模拟试验机对具有铸态和预锻态初始组织的新型A1-Zn-Mg-Cu高强铝合金试样进行了热压缩试验,分析了该合金铸态和锻态初始组织在热变形过程中的演变.研究结果表明,高温低应变速率条件下,铸态树枝晶粒在热压缩变形拉长的同时,晶内树枝晶界在高温压缩扩散的作用下逐渐消失,转变为粗大均匀且变形拉长的晶粒组织.当压缩变形量很大时,剧烈拉长的晶粒将通过几何动态再结晶得到细化.预锻态试样压缩过程中,适当的温度和应变速率条件下即可发生动态再结晶,形成细小均匀的再结晶新晶粒.【期刊名称】《太原科技大学学报》【年(卷),期】2013(034)004【总页数】7页(P276-282)【关键词】高强铝合金;热变形;组织演变【作者】王金亮;赵晓东;陈慧琴【作者单位】太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024;太原科技大学材料科学与工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】TG146.2+高强铝合金是航空航天工业中主要的结构材料。

目前世界各国民用飞机上铝合金已占居了结构材料重量的70%～80%，其中大部分为高强铝合金［1］。

随着现代航空航天工业的发展，对高强铝合金的强度和综合性能提出了更高的要求。

近些年来，优化合金成分设计、超细化合金组织结构、采用新型的制坯方法、发展新的成形加工及热处理制度成为发展高性能铝合金的重要方向［2-4］。

新型Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金主要应用于飞机重要部件的制造，如制造超厚板材和大型锻件［5-7］。

近年来，就7XXX系铝合金的热变形进行了大量模拟研究，但对其热变形行为的研究多集中于其流变应力行为、本构方程和热加工后显微组织等研究［8-10］；而高强铝合金厚板锻件的多向锻造过程是一个多火次多工步复杂的热力学过程。

该过程中，通过合理的热变形工序可以有效地消除铸态缺陷、细化晶粒，并使粗大的第二相碎化和弥散化，获得致密的、均匀的、细化的锻态组织，提高厚板锻件性能。

T91钢高温变形特性研究
崔光洙;朱伏先;高德福;刘川;高晓龙
【期刊名称】《塑性工程学报》
【年(卷),期】1999(6)2
【摘要】利用Ｇｌｅｅｂｌｅ－１５００热模拟试验机，研究了９Ｃｒ－１Ｍｏ－Ｖ－Ｎｂ－Ｎ铁素体耐热钢在８５０℃～１２５０℃，接近实际生产变形速率时的高温塑性，做出塑性图和再结晶图。

并通过分析真应力—真应变曲线。

【总页数】4页(P13-16)
【关键词】铁素体不锈钢;高温塑性;变形;热模拟;塑性变形
【作者】崔光洙;朱伏先;高德福;刘川;高晓龙
【作者单位】东北大学;鞍钢技术中心钢铁研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TG111.3;TG142.71
【相关文献】
1.T91钢高温过热器管屏拼缝焊接变形的工艺控制 [J], 王义厢;杨必应;夏红伟;陈雷;胡学飞;任建辉
2.一定拉应力条件下SO2对T91钢高温腐蚀影响的实验研究 [J], 刘柱晗;周屈兰;付家鹏;宁致远;
3.一定拉应力条件下SO2对T91钢高温腐蚀影响的实验研究 [J], 刘柱晗;周屈兰;付家鹏;宁致远
4.T91钢的高温塑性变形及动态再结晶行为 [J], 陈振湘;许晓嫦;王斌;石绍清;张金
菊;王福晶
5.稀土Ce对T91钢高温塑性变形和动态再结晶的影响 [J], 张占川; 富晓阳; 杨吉春
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6016铝合金损伤本构模型及热冲压成形模拟研究汽车工业的快速发展提高了人们的生活水平,改变了人们的出行习惯,同时也加剧了石油能源的消耗以及全球变暖问题。

汽车轻量化可以有效地降低车身重量,从而降低油耗,提高能源使用效率。

6016铝合金具有良好的断裂韧性、耐蚀性、抗疲劳等特点,且比强度较高,能在满足车身零部件性能的同时实现轻量化。

由于铝合金的延展性差,冷冲压成形容易产生破裂及回弹等问题,且难以成形结构复杂的零部件;热成形虽然可以有效提高材料的塑性,但会降低成形件的强度,后续的时效强化会造成成形精度的下降。

因此,在热成形技术的基础上发展出了在成形的同时进行保压淬火的热冲压成形技术,不仅提高了成形过程中板料的塑性,同时也满足了结构件对强度、硬度等性能的要求,并很好地解决了回弹问题。

本文采用Gleeble1500热模拟实验机对6016铝合金在热冲压成形过程中的力学行为进行探究,获取变形温度在450℃、480℃和500℃,应变速率在0.1s^-1、1s^-1和10s^-1条件下的单轴拉伸应力应变曲线,分析损伤的演化规律。

基于连续介质损伤力学和统一粘塑性本构理论,耦合位错、损伤等微观变量,构建损伤本构模型,模型可以有效地对6016铝合金高温成形过程中的均匀塑性变形、损伤破坏两个阶段进行描述。

分别就三种目标函数,对模型中材料常数进行多目标遗传优化计算,并对比所确定材料常数的预测能力,从而确定材料模型中18个材料常数的最优解。

利用半隐式求解法编写统一粘塑性损伤本构模型的子程序,进行高温单轴拉伸实验的有限元模拟,验证了模型的有效性。

研制U型件的热冲压成形实验装置,进行成形实验。

使用所开发的材料模型,对U型件的热冲压成形进行有限元数值模拟。

分析了成形过程中板料的温度场、应变场、应力场、损伤演化。