[发明专利]一种金属材料的高温拉伸测试及高温流变损伤模型构建方法

说明书

本发明公开了一种金属材料的高温拉伸测试及高温流变损伤模型构建方法，将有限元模拟与金属材料的Gleeble高温拉伸测试相结合，分析金属材料在高温拉伸过程中的载荷‑位移变化特征，以及高温拉伸后的变形轮廓特征和微观缺陷分布特征，确定金属材料高温拉伸过程发生损伤开裂时的临界损伤值，建立金属材料的高温拉伸临界损伤值与变形温度和应变速率的非线性关系，进而构建出耦合变形温度、应变速率、应变和应力的金属材料高温流变损伤模型。该模型适用于涉及铁基、铝基、铜基、钛基、镁基等金属材料的热锻、热轧、热挤、热拉拔等热加工工艺和模具的优化设计，能够精确预测金属材料在热加工过程中的损伤开裂，具有良好的稳定性，可应用于铁基、铝基、铜基、钛基、镁基等金属材料的高温塑性加工工艺和模具的计算机辅助设计。

技术领域

本发明属于金属材料高温塑性加工工程领域，特别是涉及一种适用于铁基、铝基、铜基、钛基、镁基等金属材料的热锻、热轧、热挤、热拉拔等热加工工艺和模具优化设计的金属材料高温流变损伤模型构建方法。

背景技术

金属材料高温流变损伤模型是表征金属材料热加工过程中损伤累积与应力、应变、应变速率和温度间依赖关系的数学模型，反映金属材料的可加工性能，是开展金属材料热加工工艺(包括锻造、轧制、挤压、拉拔等)及模具的计算机辅助设计的必要基础。然而，金属材料热加工过程的高温流变损伤与其所处的应力-温度-速度-变形状态密切相关，在实际热加工过程中难以直接测量。可以通过高温拉伸或者高温压缩测试来研究金属材料的高温流变损伤行为，评价其抵抗高温流变损伤断裂的能力。其中，高温拉伸测试更能准确反应拉伸应力对金属材料高温流变损伤的直接作用，而被广泛采用。比如，通过材料万能试验机测定金属材料在不同温度和应变速率下的高温拉伸流变损伤断裂行为，构建其高温流变损伤模型，评价其抵抗高温流变损伤断裂的能力【Beatrice Valoppi,Stefania Bruschi,Andrea Ghiotti,Rajiv Shivpuri.Johnson-Cook based criterion incorporatingstress triaxiality and deviatoric effect for predicting elevated temperatureductility of titanium alloy sheets.International Journal of MechanicalSciences.2017,123:94-105.Y.C.Lin,Yan-Xing Liu,Ge Liu,Ming-Song Chen,Yuan-ChunHuang.Prediction of ductile fracture behaviors for 42CrMo steel at elevatedtemperatures.Journal of Materials EngineeringPerformance.2015,24:221-118.】。但是，受材料万能试验机拉伸加载速率小(应变速率通常小于1/秒)的限制，所测得的金属材料的高温拉伸流变损伤断裂数据与实际热加工条件(应变速率可达数十/秒)差距较大，因而通过该方法构建的金属材料高温流变损伤模型，在实际生产中的应用具有明显的局限性。为了获得与实际热加工条件对应的金属材料的高温拉伸流变损伤断裂数据，可以采用材料热-力模拟试验机Gleeble进行金属材料的高温拉伸测试。Gleeble试验机可以提供较高的拉伸加载速率(应变速率可达数十/秒)，能较准确地测得金属材料的高温拉伸载荷-位移数据，但缺少引伸计的辅助不能准确测定金属材料在高温拉伸过程中的拉伸应变。并且由于Gleeble试验机采用电阻加热方式加热高温拉伸试样，焦耳热效应会导致拉伸试样沿轴线或拉伸方向出现明显的温度梯度，造成拉伸试样中心温度高，两端温度低，最终在拉伸过程中引起严重的不均匀变形【J.L.He,Y.H.Xiao,J.Liu,Z.S.Cui,L.Q.Ruan.Model forpredicting ductile fracture of SA508-3 steel undergoing hot forming.MaterialsScience and Technology.2014,30(10):1239-1247.】。因此，在采用Gleeble试验机测定金属材料的高温拉伸流变损伤断裂时，需要借助其它辅助方法，比如有限元模拟辅助测试，以精确地测定金属材料的高温拉伸流变损伤断裂行为，构建其高精度的高温流变损伤模型，准确评估其抵抗高温流变损伤断裂的能力。但是，目前尚未有精确的有限元模拟辅助的Gleeble高温拉伸测试方法，精确地测定金属材料的高温拉伸流变损伤断裂行为，构建其高精度的高温流变损伤模型，进而准确评估其在热加工工艺条件下抵抗高温流变损伤断裂的能力。因此，有必要设计合理的金属材料高温拉伸和压缩模拟实验，结合有限元模拟辅助测试方法，系统考察不同温度和应变速率下金属材料的高温拉伸流变损伤断裂行为，计算金属材料在发生损伤开裂时的临界损伤值，并确定金属材料的临界损伤值与温度和应变速率间的定量关系，进而构建高精度的金属材料高温拉伸流变损伤模型，准确表征金属材料的高温流变损伤行为，精确预测金属材料在高温塑性加工过程中的损伤开裂倾向，为金属材料的高温塑性加工工艺和模具优化设计提供依据。