金属铍的压缩变形行为

利用材料试验机及Hopkinson杆装置系统开展热等静压金属铍在不同温度下的静动态压缩力学行为研究,获得了温度、应变率对金属铍屈服强度和加工硬化行为的影响规律。结果表明:金属铍在压缩应力状态下呈现出良好的塑性,同时其力学性能具有显著的应变率敏感性与热软化效应,屈服强度和流动应力随应变率提高呈明显增大趋势,随着温度升高逐渐降低。同时,室温下其加工硬化行为随着应变增大表现为分段硬化特征,随温度升高则趋于理想塑性。最后,采用修正的Johnson-Cook本构模型对实验结果进行了拟合,模型计算结果与实验结果吻合较好。     

聊聊动态塑性和黏塑性

固体力学研究者致力于具有应力-应变本构关系（以下简称为形变型本构关系）的变形体的力学响应研究，而流体力学研究者致力于具有应力-应变率本构关系（以下简称为流动型本构关系）的流动体的力学响应研究。当涉及结构和材料的动态塑性时，到底应该用“塑性变形”还是“塑性流动”来表示？本文从宏观塑性本构理论和微观位错动力学机理两个角度，分别讨论并指出塑性本构关系属于流动型黏塑性率相关本构关系，且同时适用于加载和卸载；因而不应该用应力-应变图来描述塑性加-卸载过程。弹塑性本构关系则是一种形变型和流动型本构关系的耦合。     

第三型应变时效的提出与研究进展

第三型应变时效现象的发现使得传统的对于金属塑性流动行为的认识、位错的热激活理论以及常见的金属热粘塑性本构模型均需要进一步完善。为了系统地认识第三型应变时效,首先介绍了第三型应变时效现象区别于静态应变时效和Portevin-Le Chatelie动态应变时效的宏观特征,其次,对第三型应变时效的微观机理以及第三型应变时效与Portevin-Le Chatelier动态应变时效、蓝脆现象以及机械波谱的关联性进行了系统总结。最后,介绍了包含第三型应变时效的金属热黏塑性本构模型的发展。     

2021-05期目录

第三型应变时效现象的发现使得传统的对于金属塑性流动行为的认识、位错的热激活理论以及常见的金属热粘塑性本构模型均需要进一步完善.为了系统地认识第三型应变时效,首先介绍了第三型应变时效现象区别于静态应变时效和Portevin-Le Chatelie动态应变时效的宏观特征,其次,对第三型应变时效的微观机理以及第三型应变时效与Portevin-LeChatelier动态应变时效、蓝脆现象以及机械波谱的关联性进行了系统总结.最后,介绍了包含第三型应变时效的金属热黏塑性本构模型的发展.     

考虑微观结构特征长度演化的内变量黏塑性本构模型

在金属晶体材料高应变率大应变变形过程中,存在强烈的位错胞尺寸等微观结构特征长度细化现象,势必对材料加工硬化、宏观塑性流动应力产生重要影响。基于宏观塑性流动应力与位错胞尺寸成反比关系,提出了一种新型的BCJ本构模型。利用位错胞尺寸参数,修正了BCJ模型的流动法则、内变量演化方程,引入了考虑应变率和温度相关性的位错胞尺寸演化方程,建立了综合考虑微观结构特征长度演化、位错累积与湮灭的内变量黏塑性本构模型。应用本文模型,对OFHC铜应变率在10-4~103 s-1、温度在298~542 K、应变在0~1的实验应力-应变数据进行了预测。结果表明:在较宽应变率、温度和应变范围内,本文模型的预测数据与实验吻合很好;与BCJ模型相比,对不同加载条件下实验数据的预测精度均有较大程度的提高,最大平均相对误差从9.939%减小为5.525%。     

超高强度钢AF1410塑性流动特性及其本构关系

在本文中,为揭示超高强度钢AF1410的塑性流动性,并研究其塑性流动本构关系,利用CSS4410电子万能试验机和改进的Hopkinson拉压杆技术,对AF1410钢在温度从100K到600K,应变率从0.001/s到2000/s,塑性应变超过20%的塑性流动特性进行了试验研究。结果表明,拉伸加载下AF1410钢屈服强度低于压缩屈服强度,且随应变率增加,拉压屈服强度差值越来越大;该材料塑性流动应力对应变率敏感性低,而对温度较为敏感;随应变率的提高,该材料拉伸失效应变减小,但温度对失效应变无明显影响。最后基于位错的运动学关系,借助试验数据,获得了AF1410钢的塑性流动物理概念本构模型,并通过与经典J-C模型的结果对比对该物理概念本构模型进行了评估分析,表明该物理概念本构模型在较宽温度和应变率范围能较好的预测AF1410钢的塑性流动应力。     

金属材料的率-温耦合响应与动态本构关系综述

金属材料在冲击、爆炸等高应变率加载下的塑性流动行为具有不同于静载下的率-温耦合性和微观机制。航空航天、航海、能源开采、核工业、公共安全、灾害防治等方面的金属结构设计与性能评估需要进行大量的动载实验和数值模拟,建立准确的材料动态本构模型是结构数值模拟可靠性的基础和关键。本文中,总结了金属材料的率-温耦合变形行为及内在机理,回顾了金属动态本构关系研究的起源与发展脉络,分别针对唯象模型、具有物理基础的模型和人工神经网络模型进行了详细介绍和横向比较。唯象模型和人工神经网络模型分别因易应用和高预测精度而受到青睐,基于物理概念的宏观连续介质模型可以描述体现内部演化的真实物理量,从而涵盖更大的应变范围,更好地反映应变率、温度和应变的影响机制。     

高氮奥氏体不锈钢高温动态响应特性及本构关系

在293~873 K的环境下,采用分离式霍普金森杆装置对高氮钢试样进行了102~103 s-1应变率下的动态加载实验。结合准静态实验结果,分析了应变率和温度对材料塑性流动特性的影响。结果表明:高氮钢的动态力学行为具有很强的应变率敏感性和温度敏感性。当应变率达到400 s-1或更高时,流动应力随应变率的增加显著升高;在同一应变率下,流动应力随温度的降低明显升高。研究了温度和应变率耦合效应对材料塑性行为的影响,得出温度软化效应在高氮钢高温动态塑性变形中起主导作用。基于经典的Johnson-Cook（J-C）模型,通过对实验数据的分析,得出了高氮钢材料的修正J-C本构方程,经验证修正J-C方程预测结果与实验结果吻合。     

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

金属材料在复杂应力状态下的塑性流动特性及本构模型

工程应用中,金属材料和结构往往处于复杂应力状态。材料的塑性行为会受到应力状态的影响,要精确描述材料在复杂应力状态下的塑性流动行为,必须在本构模型中考虑应力状态效应的影响。然而,由于在动态加载下材料的应变率效应和应力状态效应相互耦合、难以分离,给应力状态效应的研究和模型的建立造成很大困难。通过对Ti-6Al-4V钛合金材料开展不同加载条件下的力学性能测试,提出了一个包含应力三轴度和罗德角参数影响的新型本构模型,并通过VUMAT用户子程序嵌入ABAQUS/Explicit软件。分别采用新提出的塑性模型和Johnson-Cook模型对压剪复合试样的动态实验进行了数值模拟。结果表明,新模型不仅在对材料本构曲线的拟合方面具有较强的优势,而且由该模型所得到的透射脉冲和载荷-位移曲线均更加准确。因此,该模型能够更精确地描述和预测金属材料在复杂应力状态下的塑性流变行为。     

预应变对中子辐照高纯铝拉伸性能的影响

金属材料的中子辐照硬化和脆化一直都是核能安全领域十分关注的重要问题之一. 为了进一步认识预应变对中子辐照金属材料塑性形变和最终断裂特性的影响规律, 及其微观机理, 本文研究了10%拉伸预应变高纯铝的拉伸应力-应变曲线、失稳应力和失稳应变等随辐照剂量的变化规律. 结果表明, 辐照剂量越高, 预应变高纯铝内部孔洞的尺寸和数密度越高, 导致屈服强度和极限拉伸强度越高, 均匀延伸率和失稳应变越小, 表现出典型的辐照硬化和脆化效应, 但失稳应力与辐照剂量几乎无关. 相同辐照剂量条件下, 预应变引入的高密度位错能够显著降低辐照孔洞的尺寸和数密度, 加之辐照退火效应的综合影响, 导致预应变能够降低高纯铝屈服强度的增长率和失稳应变的下降率, 从而表现出一定的抑制辐照硬化和脆化的能力, 预应变还能够提高高纯铝的失稳应力, 但整体而言预应变并不能提高高纯铝的延性. 最后, 基于J-C本构模型的中子辐照退火态金属材料的脆化模型能够直接应用于预应变金属材料, 且模型预测结果与实验结果吻合较好.      

DH-36钢的塑性流动统一本构关系研究

通过对DH-36钢动态应变时效的规律和试验数据进行系统分析, 发展和建立了描写第3种动态应变时效的本构模型. 然后基于热激活物理概念本构模型和塑性流动应力组合原理, 加入对第3种动态应变时效的描述, 获得了统一本构模型. 该模型不仅可以描写第3种动态应变时效, 还可以预测DH-36钢在温度77K~1000K, 应变率0.001s^{-1}~3000s^{-1}范围内的塑性流动应力,通过比较发现统一本构模型预测结果与试验结果吻合很好.      

Modeling of Temperature and Strain-Rate Effects in Metals Using an Internal Variable Model

The thermo-viscoplastic behavior of three metals is characterized in a large range of loading conditions by using a new phenomenological constitutive model. The flow stress is decomposed into the sum of an effective stress with an internal stress depending upon an internal parameter which describes the strain hardening effect. The evolution of the internal stress is sensitive to the history of strain-rate and temperature. A systematic method is used for determining the model’s parameters. The model predictions show a good correlation with experimental data. Temperature history effects are especially analyzed.     

Creep,plasticity, and fatigue of single crystal superalloy

Single crystal components in gas turbine engines are subject to such extreme temperatures and stresses that life prediction becomes highly inaccurate resulting in components that can only be shown to meet their requirements through experience. Reliable life prediction methodologies are required both for design and life management. In order to address this issue we have developed a thermo-viscoplastic constitutive model for single crystal materials. Our incremental large strain formulation additively decomposes the inelastic strain rate into components along the octahedral and cubic slip planes. We have developed a crystallographic-based creep constitutive model able to predict sigmoidal creep behavior of Ni base superalloys. Inelastic shear rate along each slip system is expressed as a sum of a time dependent creep component and a rate independent plastic component. We develop a new robust, computationally efficient rate-independent crystal plasticity approach and combined it with creep flow rule calibrated for Ni-based superalloys. The transient variation of each of the inelastic components includes a back stress for kinematic hardening and latent hardening parameters to account for the stress evolution with inelastic strain as well as the evolution for dislocation densities. The complete formulation accurately predicts both monotonic and cyclic tests at different crystallographic orientations for constant and variable temperature conditions (low cycle fatigue (LCF) and thermo-mechanical fatigue (TMF) tests). Based on the test and modeling results we formulate a new life prediction criterion suitable for both LCF and TMF conditions.     

A viscoplastic constitutive model with effect of aging

It is recognized experimentally that differences in plastic flow stress due to the change in strain rate of SUS304 stainless steel are found to decrease after cyclic preloadings, but minimal change is observed in relaxation properties. Therefore, viscosity function based on tensile stress–strain properties differs from that obtained from relaxation behavior. For such case, the existing visco-plastic constitutive concept, such as the so-called overstress model where only viscosity is taken into consideration, has a poor capability in predicting the time-dependent mechanical properties systematically. A new viscoplastic constitutive concept is presented to analyze the phenomenon. In the constitutive concept, the dynamic strain aging even at room temperature, as well as viscosity, are introduced as the dominant factors of the time-dependent plastic deformation. An experimental technique is proposed and some experimental results are presented to estimate the effects of aging and viscosity separately on the time-dependency of a SCM435 low alloyed steel under tensile loading. The proposed constitutive model with aging is verified for the systematical predictions of both plastic flow properties and relaxation behavior of the SCM435 low alloyed steel.     

Stress–strain behaviour of aluminium alloys at a wide range of strain rates

The stress–strain behaviour of extruded AA6xxx and AA7xxx aluminium alloys in T6 temper was studied at a wide range of strain rates. Tensile tests at low to medium strain rates were performed in a standard tensile test machine, while a split-Hopkinson tension bar was used to carry out tests at high rates of strain. Extruded aluminium alloys have anisotropic mechanical properties, and tests were therefore done in three directions with respect to the extrusion direction. It is found that the AA6xxx alloys exhibit no significant rate sensitivity in the stress–strain behaviour, while moderate rate sensitivity was found for the AA7xxx alloys. There seems to be no significant difference between the rate sensitivity in the three tensile directions. The experimental data were used to identify the parameters of a thermo-viscoplastic constitutive relation for the extruded alloys, which includes the effects of strain hardening, strain-rate hardening, thermal softening and plastic anisotropy.     

基于物理变量的热粘塑性本构模型

在位错的运动和产生与塑性变形的一般关系及考虑到热激活与粘性阻尼效应的位错集体运动的统一理论基础上，通过对结构参量的演化规律的具体建议，提出了一种基于物理变量的热粘塑性本构模型。在此模型的基础上，讨论了金属材料动态力学行为的微观机理。     

FeCrNi合金静动态物理本构模型研究

以金属材料塑性变形的位错动力学为基础,将FeCrNi合金的流动应力分解为非热应力和热激活应力两部分.通过对该合金屈服应力随温度变化特性、屈服应力的应变速率特性、孪晶组织的温度特性及位错组态的应变速率特性进行分析,认为非热应力不只是应变的函数,还与温度和应变速率相关,因此对Johnson-Cook模型方程形式进行修正以描述非热应力. 同时认为影响热激活应力的微结构参数主要为位错阻碍间距\Deltal, 定义并推导出表征\Delta l演化的g函数的表达式,将其引入Kocks的热激活方程,从而建立FeCrNi合金的物理型本构模型.该模型初步实现了对FeCrNi合金从室温到高温、从准静态到动态塑性变形行为的描述.