β型鈦合金高溫粘塑性本構(gòu)建模及數(shù)值計(jì)算.pdf

1、鈦合金由于常溫具有強(qiáng)烈的回彈傾向，因此常采用溫間壓力成形進(jìn)行成形處理，但是許多鈦合金在β相變點(diǎn)以上的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出明顯的屈服點(diǎn)現(xiàn)象、急劇的屈服應(yīng)力下降、應(yīng)變軟化以及強(qiáng)烈的應(yīng)變速率敏感性。目前仍未有成熟的本構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確描述這一類特殊的粘塑性變形特征，因此無法對溫間壓力成形進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。
　　本文對β型鈦合金 Ti-20V-4Al-1Sn在700℃、750℃以及800℃三種溫度下的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行了測量，對 Ti-20V-

2、4Al-1Sn在上述溫度區(qū)間內(nèi)不同應(yīng)變速率下不同應(yīng)變階段的變形微觀組織進(jìn)行系統(tǒng)觀察，分析溫度、應(yīng)變速率以及塑性應(yīng)變對材料微觀組織演化的影響。力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈦合金 Ti-20V-4Al-1Sn在上述溫度區(qū)間內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的屈服點(diǎn)現(xiàn)象、急劇的屈服應(yīng)力下降、應(yīng)變軟化以及強(qiáng)烈的應(yīng)變速率敏感性。微觀組織分析表明，屈服點(diǎn)以及屈服應(yīng)力下降階段伴隨著晶界處位錯密度的急劇變化，在大應(yīng)變階段，動態(tài)回復(fù)是流動軟化的主要原因。
　　基于 J

3、ohnston-Gilman可動位錯密度理論，本文首次推導(dǎo)出適用于鈦合金高溫粘塑性變形的本構(gòu)方程，對鈦合金在β相變點(diǎn)以上的溫度區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)的屈服點(diǎn)現(xiàn)象、屈服點(diǎn)下降、流動軟化以及應(yīng)變速率敏感性進(jìn)行建模。并采用基于多點(diǎn)近似擬合法的序列規(guī)劃最優(yōu)化方法對該粘塑性本構(gòu)模型的各材料參數(shù)進(jìn)行了擬合。結(jié)果表明，該本構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確的描述屈服點(diǎn)現(xiàn)象、屈服階段的應(yīng)力下降、大應(yīng)變區(qū)域的流動軟化以及應(yīng)變速率敏感性?；趦?nèi)部變量理論的本構(gòu)方程構(gòu)造使得該模型可以推廣到

4、其他牌號的鈦合金以及表現(xiàn)出屈服點(diǎn)下降的其他材料如軟鋼、鋁合金甚至硅晶體等。
　　首次基于變形的亞彈性分解理論提出大變形框架下的本構(gòu)方程，利用返回圖算法原理首次提出適用于屈服點(diǎn)現(xiàn)象的本構(gòu)方程隱式化求解算法，推導(dǎo)出適用于隱式求解的單元切線剛度矩陣。最終將上述模型利用商用有限元軟件MSC.MARC的子程序 HYPELA2編程實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了單軸拉伸以及 V型彎曲過程的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，即使在復(fù)雜的接觸條件以及較大時間增量步下，有限元分析