[發明專利]一種粉末冶金材料的高溫拉伸測試及高溫流變損傷模型構建方法

有效

• 申請號: 202110115316.5
• 申請日: 2021-01-28
• 公開（公告）號: CN112926236B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 郭彪;李強;張羽;李肖;簡杰;敖進清
• 申請（專利權）人: 西華大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G01N3/18;G01N3/08;G06F119/08;G06F119/14
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本發明公開了一種粉末冶金材料的高溫拉伸測試及高溫流變損傷模型構建方法，將有限元模擬與粉末冶金材料的Gleeble高溫拉伸測試相結合，測定粉末冶金材料高溫拉伸試樣的中部溫度相對均勻段在高溫拉伸過程中的拉伸應力和應變數據，消除Gleeble試驗機加熱拉伸試樣時所產生的溫度梯度的負面影響，確定粉末冶金材料高溫拉伸過程發生損傷開裂的臨界斷裂應變，建立粉末冶金材料高溫拉伸的臨界斷裂應變模型和流變應力本構模型，進而構建出耦合變形溫度、應變速率、應變和應力的粉末冶金材料高溫流變損傷模型，并進行適當的修正，以提高損傷模型的準確性。該損傷模型適用于涉及鐵基、鋁基、銅基、鈦基、鎂基等粉末冶金材料的熱鍛、熱軋、熱擠、熱拉拔等熱加工工藝和模具的優化設計，能夠精確預測粉末冶金材料在熱加工過程中的損傷開裂，具有良好的穩定性，可應用于鐵基、鋁基、銅基、鈦基、鎂基等粉末冶金材料的高溫塑性加工工藝和模具的計算機輔助設計。

技術領域

本發明屬于粉末冶金材料高溫塑性加工工程領域，特別是涉及一種適用于鐵基、鋁基、銅基、鈦基、鎂基等粉末冶金材料的熱鍛、熱軋、熱擠、熱拉拔等熱加工工藝和模具優化設計的粉末冶金材料高溫流變損傷模型構建方法。

背景技術

粉末冶金材料高溫流變損傷模型是表征粉末冶金材料熱加工過程中損傷累積與應力、應變、應變速率和溫度間依賴關系的數學模型，反映粉末冶金材料的可加工性能，是開展粉末材料熱加工工藝(包括鍛造、軋制、擠壓、拉拔等)及模具的計算機輔助設計的必要基礎。然而，粉末冶金材料熱加工過程的高溫流變損傷與其所處的應力-溫度-速度-變形狀態密切相關，在狀態復雜且動態變化的實際熱加工過程中難以直接測量。有文獻報道采用高溫壓縮測試來評價粉末冶金材料抵抗高溫流變損傷斷裂的能力【Guoai He,Feng Liu,Lan Huang,Liang Jiang.Analysis of forging cracks during hot compression ofpowder metallurgy nickel-based superalloy on simulation andexperiment.Advanced Engineering Materials,2016；18(10):1823–32.R.Seetharam,S.Kanmani Subbu,M.J.Davidson.Hot workability and densification behavior ofsintered powder metallurgy Al-B4C preforms during upsetting.Journal ofManufacturing Processes,2017；28:309–18.Qinyang Zhao,Fei Yang,Rob Torrens,Leandro Bolzoni.Comparison of the cracking behavior of powder metallurgy andingot metallurgy Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr alloys during hot deformation.Materials,2019；12(3):457–70.】。但是，高溫壓縮測試只能定性地判斷粉末冶金材料在高溫壓縮變形過程中的高溫流變損傷開裂趨勢，而不能定量描述其在熱加工過程中的高溫流變損傷行為，也不能準確預測其在熱加工過程中的高溫流變損傷開裂。實際上，粉末冶金材料在熱加工過程中，發生損傷開裂是由拉伸應力導致的。因此，可以采用高溫拉伸測試來評價其抵抗高溫流變損傷斷裂的能力。目前，高溫拉伸測試已經成功地應用于評價傳統熔鑄金屬材料抵抗高溫流變損傷斷裂的能力。比如，通過材料萬能試驗機測定傳統熔鑄金屬材料在不同溫度和應變速率下的高溫拉伸流變損傷斷裂行為，構建其高溫流變損傷模型，評價其抵抗高溫流變損傷斷裂的能力【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.Beatrice Valoppi,Stefania Bruschi,Andrea Ghiotti,Rajiv Shivpuri.Johnson-Cook based criterion incorporating stress triaxiality and deviatoric effectfor predicting elevated temperature ductility of titanium alloysheets.International Journal of Mechanical Sciences,2017,123:94-105.】。然而，受材料萬能試驗機拉伸加載速率小(應變速率通常小于1/秒)的限制，所測得的高溫拉伸流變損傷斷裂數據與實際熱加工條件(應變速率達幾～幾十/秒)差距較大，因而通過該方法構建的高溫流變損傷模型，在實際生產中的應用具有明顯的局限性。為了獲得與實際熱加工條件(應變速率可達幾～幾十/秒)對應的粉末冶金材料的高溫拉伸流變損傷斷裂數據，可以采用材料熱-力模擬試驗機Gleeble進行金屬材料的高溫拉伸測試。Gleeble試驗機可以提供較高的拉伸加載速率(應變速率可達幾十/秒)，能較準確地測得粉末冶金材料的高溫拉伸載荷-位移數據，但缺少引伸計的輔助不能準確測定拉伸試樣在高溫拉伸過程中的拉伸應變。而且，由于Gleeble試驗機采用電阻加熱方式加熱高溫拉伸試樣，焦耳熱效應會導致拉伸試樣沿軸線或者沿拉伸方向出現明顯的溫度梯度，造成拉伸試樣中心溫度高，兩端溫度低，最終在拉伸過程中引起嚴重的不均勻變形【J.L.He,Y.H.Xiao,J.Liu,Z.S.Cui,L.Q.Ruan.Model for predicting ductile fracture of SA508-3 steel undergoinghot forming.Materials Science and Technology.2014,30(10):1239-1247.】，這嚴重影響了拉伸試樣的高溫流變損傷斷裂評價。因此，在采用Gleeble試驗機測定粉末冶金材料的高溫拉伸流變損傷斷裂時，需要借助其它輔助方法，比如有限元模擬輔助測試，以精確地測定粉末冶金材料的高溫拉伸流變損傷斷裂行為，構建其高精度的高溫流變損傷模型，準確評估其抵抗高溫流變損傷斷裂的能力。但是，目前尚未有精確的有限元模擬輔助的Gleeble高溫拉伸測試方法，精確地測定粉末冶金材料的高溫拉伸流變損傷斷裂行為，構建其高精度的高溫流變損傷模型，進而準確評估其在熱加工工藝條件下抵抗高溫流變損傷斷裂的能力。因此，有必要設計合理的粉末冶金材料的高溫拉伸測試實驗，結合有限元模擬輔助測試方法，系統考察不同溫度和應變速率下粉末冶金材料的高溫拉伸流變損傷斷裂行為，建立粉末冶金材料的高溫拉伸流變應力本構模型；同時，測定粉末冶金材料在高溫拉伸過程中發生損傷開裂時的臨界斷裂應變，建立粉末冶金材料的高溫拉伸臨界斷裂應變模型，進而構建高精度的粉末冶金材料高溫拉伸流變損傷模型，準確表征粉末冶金材料的高溫流變損傷行為，精確預測粉末冶金材料在高溫塑性加工過程中的損傷開裂傾向，為粉末冶金材料的高溫塑性加工工藝和模具優化設計提供依據。