[发明专利]一种预测变应力下铝铜合金蠕变时效行为的方法

摘要

一种预测变应力下铝铜合金蠕变时效行为的方法，在蠕变试验机上进行单轴拉伸应力时效处理，在特定温度不同的应力水平下进行蠕变实验，获得不同应力下的蠕变曲线，然后将实验空冷到室温后进行拉伸实验，获得不同应力时效时屈服强度的变化；用X射线方法计算步骤一蠕变过程位错密度的演变，通过透射电镜观测得到蠕变过程主要强化相θ′和θ″尺寸和体积分数的变化；建立预测铝铜合金变应力下蠕变和时效强化的宏微观统一本构模型；确定材料常数，采用粒子群优化算法得到模型中的参数值。本发明解决了现有方法只能在较窄应力范围下使用的弊端，对准确预测实用材料和构件复杂应力下的蠕变量和性能演化具有重要的指导意义，可以应用在构件制造的数值模拟中。

主权项

1.一种预测变应力下铝铜合金蠕变时效行为的方法，其特征在于，包括：步骤一：在蠕变试验机上进行单轴拉伸应力时效处理，在特定温度不同的应力水平下进行蠕变实验，获得不同应力下的蠕变曲线，然后将实验空冷到室温后进行拉伸实验，获得不同应力时效时屈服强度的变化；步骤二：用X射线方法计算步骤一蠕变过程位错密度的演变，通过透射电镜观测得到蠕变过程主要强化相θ′和θ″尺寸和体积分数的变化；步骤三：建立预测铝铜合金变应力下蠕变和时效强化的宏微观统一本构模型，包含描述屈服强度σ_y演变的强度方程和描述蠕变应变与应力关系即蠕变应变率的变形方程，过程如下：1)，计算加载阶段应力导致的位错，当施加的应力超过材料的屈服强度时，在加载阶段可以产生明显的位错，得到加载阶段位错密度的方程：ρ1O＝c1·(σ‑σIY)2+ρq其中ρIO是加载阶段位错密度，c1是材料相关常数，σ是施加应力，σIY是加载前材料的初始屈服强度，ρq是假定的淬火位错密度，为0.05×1014m‑2；2)，建立应力时效过程位错演化的方程，应力时效过程中的位错演变分为两部分：在加载阶段积累位错的静态回复和与蠕变有关的位错演变；其中是标准位错密度率，c₂和c₃是材料相关常数，n₁是常数，是标准位错密度；3)，拟合通过XRD测试测量的位错密度数据，获得标准化位错密度曲线；4)，高应力时效时θ′/θ″竞争析出，建立如下析出相体积分数演化的方程描述其竞争关系：其中，f_tota1是析出相体积分数，是f_total随时间变化的速率，是f′_θ随时间变化的速率，是f″_θ随时间变化的速率，f′_θ是θ′的相对体积分数，f″_θ是θ″的相对体积分数，c₄、c₅、c₆、n₂、n₃是材料相关常数，t是时间，是位错密度，c₇是铝基体中铜原子转变为θ″相的百分比，c₈是θ″到θ′时铜原子的溶解析出率；5)，建立描述析出相尺寸演化的方程，析出相尺寸是决定析出硬化潜力的重要参数，在等温应力时效过程中，析出相主要通过体积扩散机制生长，其中析出相大小与时效时间的平方根成比例，满足菲克第二扩散定律，应力诱发的位错可以显着影响析出相的生长，因此，方程中涉及应力项和位错项，它们以直径D和T厚度的生长速率的形式写出，如下：其中，是D_θ″随时间变化的速率，是D_θ′随时间变化的速率，是T_θ″随时间变化的速率，是T_θ′随时间变化的速率，也即成长率，D_θ″是θ″的平均直径，D_θ′是θ′的平均直径，T_θ″是θ″的平均厚度，T_θ′是θ′的平均厚度，c₉、c₁₀、c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₁₄、c₁₅、c₁₆、c₁₇、c₁₈、n₄、n₅、n₆、n₇是材料相关常数；6)，建立可剪切θ″相的强化方程：其中Γ是位错线张力，Lp是平均中心到中心粒子间距，F是颗粒对位错剪切的抵抗力的量度，M是泰勒因子，b是伯格斯矢量；7)，建立不可剪切θ′相的强化方程：其中v是泊松比，G是剪切模量，fma是最大体积分数，用于归一化；8)，建立析出硬化的方程，考虑剪切和非剪切两种析出强化机制，整体析出硬化方程为：(σppt)1.4＝(σshearable)1.4+(σshear‑resistant)1.4由此得到描述屈服强度σy演变的强度方程为：即，屈服强度σy由混合规则给出，强化组成：内在强度σi、位错强度σp、析出强化σppt和固溶强化σss；9)，描述蠕变应变与应力关系的变形方程基于经典的奥罗万方程式，是位错密度和平均位错速度的乘积，为：即，蠕变时效过程中产生的内部微结构变量以速率形式给出，且材料属性与这些变量关联；其中，v代表平均位错速度，c20、c21和n8是材料相关常数，k1和k2是加权因子代表不同强化机制对位错运动的抵抗力，σρ是位错贡献的强度；步骤四：确定材料常数，采用粒子群优化算法得到所述模型中的参数值。