CN106971012B - 一种镁合金材料本构关系模型的建立方法 - Google Patents

一种镁合金材料本构关系模型的建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镁合金材料本构关系模型的建立方法,采用简化的Arrhennius方程,根据变形激活能随温度的变化规律将变形温度划分为2‑4个温度区间分别求解变形本构方程,其特征在于包括下列步骤:(1)简化Arrhennius方程;(2)求解变形激活能Q值并分析其随温度的变化规律;(3)根据变形激活能随温度的变化规律将变形温度划分为2~4个温度区间,采用简化的Arrhennius方程分别建立各温度范围的本构方程。本发明能有效避免传统方法以所有温度下变形激活能均值作为材料变形激活能求解所导致的较大误差。按照本发明所建立的镁合金材料本构模型具有较高的精度。

Description

一种镁合金材料本构关系模型的建立方法
技术领域
本发明属于镁合金材料塑性变形本构模型的建立方法,可以适用于不同牌号镁合金塑性变形本构模型的建立。
背景技术
材料的本构模型是塑性变形数值模拟重要的基础理论,是工艺规程制定的重要参考要素。由于材料在塑性加工变形过程中的动态响应是材料内部组织演化过程引起的硬化与软化综合作用的结果,其本构关系是高度非线性的。目前普遍的做法是通过数学处理方法依据Arrhennius方程对恒条件下变形的实验数据进行拟合来建立本构关系。用来表征镁合金单向拉伸、压缩变形的本构模型已在不同变形条件下建立,预测精度不高是这些模型存在的普遍问题,然而尚未提出有效的解决办法。本发明专利就是针对当前镁合金已有本构模型预测精度低的技术问题,提出了一种高预测精度的镁合金材料本构关系模型的建立方法。
发明内容
本发明专利的目的就是根据镁合金的高温压缩应力—应变关系,提供一种高预测精度的镁合金材料本构关系模型的建立方法。
本发明是这样实现的,一种镁合金材料本构关系模型的建立方法的具体步骤如下:
步骤一、简化Arrhennius方程
镁合金的本构方程采用弹塑性体关于双曲正弦模型的热变形方程,即修正后的Arrhennius方程:
Figure GDA0002451073440000011
对于双曲正弦模型,将sinh(x)=(ex-e-x)/2代入(1)式中进行简化,得出以下结论:
当ασ≤0.3时,sinh(ασ)≈ασ,其相对误差小于1.48%。
Figure GDA0002451073440000021
当0.3<ασ<1.8时,sinh(ασ)≈0.58208(ασ+0.42497)2,其相对误差为 0.46%~2.8%。
Figure GDA0002451073440000022
当1.8≤ασ时,
Figure GDA0002451073440000023
其相对误差小于2.8%。
Figure GDA0002451073440000024
式中,
Figure GDA0002451073440000025
—应变速率,s-1;Q—变形激活能,J/mol,与材料有关;σ—流变应力,MPa;n—应力指数;T—温度,K;R—摩尔气体常数,8.314J/(mol·K); A和α为与材料有关的常数;A1=Aαn,A3=A/2n
步骤二、求解所有温度范围内的变形激活能Q值
通过分析变形激活能随温度的变化规律可知,随着温度的增大变形激活能Q 值逐渐减小,但是下降趋势有所差别,某些温度范围呈现急剧性,而有些则较为平缓。当拟合整体温度范围下的本构方程时,传统的材料本构模型往往以所有温度下的变形激活能平均值作为材料的变形激活能值,这样会造成整体本构模型误差较大。
步骤三、划分温度范围建立本构方程
将整体变形温度范围根据变形激活能随温度变化规律分解为2—3个区间来分别建立本构方程。分别计算不同温度区间下的变形激活能Q。对各温度区间分别建立镁合金本构模型。
进一步,所述求解所有温度范围内的变形激活能Q值的具体方法为:
①α的求解
对式(2)和式(4)两边取对数得到
Figure GDA0002451073440000039
Figure GDA00024510734400000310
取所有温度、应变速率下的峰值应力(即一定变形温度、应变速率下应力的最大值)σp—应变速率
Figure GDA0002451073440000031
值按式(5)和(6)进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA0002451073440000032
Figure GDA0002451073440000033
拟合直线斜率的均值分别为1/n和1/nα,1/n和1/nα两值相除便可求出α。
②n的求解
对式(1)两边取对数得到
Figure GDA0002451073440000034
取所有温度、应变速率下的峰值应力σp—应变速率
Figure GDA0002451073440000035
值按式(7)进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA0002451073440000036
则拟合直线斜率倒数的平均值即为n的值。
③变形激活能Q的求解
对式(7)改变形式
Figure GDA0002451073440000037
取所有温度、应变速率下的峰值应力σp-温度T值按式(8)进行线性拟合,做拟合直线图ln[sinh(ασp)]-1/T,则拟合直线的斜率的均值就是Q/nR的值,
对式(7)改变形式
Figure GDA0002451073440000038
两边对1/T求导
Figure GDA0002451073440000041
将所求的Q/nR和n值代入式(9)即可求出所有变形条件下的变形激活能Q 值。
所述划分温度范围建立本构方程的具体方法为:
①α的求解
取所划分的某个变形温度范围内的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA0002451073440000042
值按式(5)和(6) 进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA0002451073440000043
Figure GDA0002451073440000044
拟合直线斜率的均值分别为1/n 和1/nα的值,1/n和1/nα两值相除便可求出α。
②n的求解
取所划分的某个变形温度范围内的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA0002451073440000045
值按式(7)进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA0002451073440000046
则拟合直线斜率倒数的平均值即为n 的值。
③变形激活能Q的求解
取所划分的某个变形温度范围内的峰值应力σp-温度T值按式(8)进行线性拟合,做拟合直线图ln[sinh(ασp)]-1/T,则拟合直线的斜率的均值就是Q/nR的值。
将本具体方法所求的Q/nR和②中所求n值代入式(9)即可求出所划分的某个变形温度范围内的的变形激活能Q值。
④A,A1,A3的求解
本具体方法②中所得拟合直线的截距为(1/n)(Q/RT-lnA),将本具体方法②和③中所求n和Q值代入即可求出A的值,由式(2)和式(4)可求得A1=Aαn, A3=A/2n
⑤n*,A2的求解
对式(3)两边取对数并将所求α代入
Figure GDA0002451073440000051
取所划分的某个变形温度范围内的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA0002451073440000052
值按式(10)进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA0002451073440000053
则拟合直线斜率的均值即为2n*的值,可求出n*。将③所求变形激活能Q代入直线截距 lnA2+n*ln0.58208-Q/RT即可求出A2
根据该温度范围的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA0002451073440000054
数据,按照本划分温度范围建立本构方程的具体方法①~⑤即可确定A,A1,A2,A3,α,n,n*,Q值,由此可确定该温度范围的镁合金材料本构关系模型。同理,对于其它温度范围,按照相同的方法可确定其它温度范围的本构模型。
本发明专利的原理:
将镁合金材料加工成一定规格的圆柱体,在圆柱体上下端面涂抹润滑剂以消除试样与压头间的摩擦,通过热模拟试验机对材料进行等温压缩,热压缩压力与材料受挤压变形时的应力变化规律相同,因此可以用热模拟试验机压缩实验的应力—应变数据来建立材料的本构模型。
本发明的优点是:相对于传统的镁合金材料本构模型,通过本发明提供的方法建立的镁合金材料本构模型具有更高的预测精度。
附图说明
图1 250℃~450℃下
Figure GDA0002451073440000055
拟合直线图;
图2 250℃~450℃下
Figure GDA0002451073440000056
拟合直线图;
图3 250℃~450℃下
Figure GDA0002451073440000061
拟合直线图;
图4不同应变速率(0.005~5s-1)下ln[sinh(0.0112σP)]-1/T拟合直线图;
图5铸态AZ31B镁合金不同变形速率(0.005~5s-1)下变形激活能与变形温度的关系曲线;
图6 250℃~300℃下
Figure GDA0002451073440000062
拟合直线图;
图7应变速率(0.005~5s-1)下ln[sinh(0.0084σp)]-1/T拟合直线图;
图8 250℃~300℃下
Figure GDA0002451073440000063
拟合直线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,可以知道,本实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本实施例选定某公司生产的铸态AZ31B镁合金,热模拟试验机采用 Gleeble1500热/动模拟试验机。将试样加工成Φ8×12mm圆柱试样,试样两端均匀地涂抹上机油用来润滑。在变形温度250~450℃、应变速率0.005~5s-1下对试样进行等温压缩试验,得到不同温度、不同应变速率下的应力应变数据。
表1测得的不同变形条件下的峰值应力(MPa)
Figure GDA0002451073440000064
(1)简化Arrhennius方程
简化后的Arrhennius方程如下:
当ασ≤0.3时,sinh(ασ)≈ασ,其相对误差小于1.48%。
Figure GDA0002451073440000071
当0.3<ασ<1.8时,sinh(ασ)≈0.58208(ασ+0.42497)2,其相对误差为0.46%~2.8%。
Figure GDA0002451073440000072
当1.8≤ασ|时,
Figure GDA0002451073440000073
其相对误差小于2.8%。
Figure GDA0002451073440000074
式中,
Figure GDA0002451073440000075
-应变速率,s-1;Q-变形激活能,J/mol,与材料有关;σ-流变应力,MPa;n-应力指数;T-温度,K;R-摩尔气体常数,8.314J/(mol.K);A 和α为与材料有关的常数。A1=Aαn,A3=A/2n
(2)求解变形激活能Q值
①α的求解
取表一中所有温度、应变速率下的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA0002451073440000076
值按式(5)和(6) 进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA0002451073440000077
Figure GDA0002451073440000078
如图1和图2,由拟合直线斜率求出
Figure GDA0002451073440000079
Figure GDA00024510734400000710
两值相除便可求出
Figure GDA00024510734400000711
②n的求解
取表1中所有温度、应变速率下的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA00024510734400000712
值按式(7)进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA00024510734400000713
如图3,则拟合直线斜率倒数的平均值为n的值,得到n=11.3820。
表2各温度条件下所求n值
温度T/℃ 250 300 350 400 450
n 16.6667 14.5117 10.5641 7.9039 7.2637
③变形激活能Q的求解
对式(7)改变形式
Figure GDA0002451073440000081
取表1中所有温度、应变速率下的峰值应力σp-温度T值按式(14)进行线性拟合,做拟合直线图ln[sinh(0.0112σP)]-1/T,如图4,则拟合直线的斜率的均值就是Q/nR的值,结果如表3。
表3各应变速率下Q/nR值
Figure GDA0002451073440000082
对式(7)改变形式
Figure GDA0002451073440000083
两边对1/T求偏导
Figure GDA0002451073440000084
将所求的Q/nR和n值代入即可求出所有变形条件下的变形激活能Q值。
表4 250~450℃下变形激活能值
Figure GDA0002451073440000085
绘制Q-T图如图5,通过分析变形激活能随温度的变化规律可知,随着温度的增大变形激活能Q值逐渐减小,但是下降趋势有所差别,300~350℃范围呈现急剧性,250~300℃和350~400℃范围则较为平缓。当拟合整体温度范围下的本构方程时,传统的材料本构模型往往以所有温度下的变形激活能平均值作为材料的变形激活能值,这样会造成整体本构模型误差较大。
步骤三、划分温度范围建立本构方程
根据变形激活能随温度的变化规律这里将变形温度分解为3个区间 (250~300℃,300~350℃,350~400℃)来分别建立本构方程。
250~300℃范围本构方程求解
①α的求解
取250~300℃范围内的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA0002451073440000091
值按式(5)和(6)进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA0002451073440000092
Figure GDA0002451073440000093
由拟合直线斜率求出
Figure GDA0002451073440000094
Figure GDA0002451073440000095
两值相除便可求出α=0.0084。
②n的求解
取250~300℃范围内的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA0002451073440000096
值按式(7)进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA0002451073440000097
如图6,则拟合直线斜率倒数的平均值为n 的值,得到n=18.1549。
③变形激活能Q的求解
取250~300℃范围内的峰值应力σp-温度T值按式(8)进行线性拟合,做拟合直线图ln[sinh(0.0084σp)]-1/T,如图7,则拟合直线的斜率的均值就是Q/nR的值,将上面所求n=18.1549代入即可求出该温度范围内的变形激活能Q值, Q=204950J/mol。
④A,A1,A3的求解
②中按式(7)进行拟合所得直线的截距为(1/n)(Q/RT-ln A),将②和③中所求n和Q值代入即可求出A=7.2415×1017,由式(2)和式(4)可求得A1=Aαn=1.4974×10-20,A3=A/2n=2.4812×1012
⑤n*,A2的求解
取250~300℃范围内的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA0002451073440000101
值按式(10)进行线性拟合,做拟合直线图
Figure GDA0002451073440000102
如图8,则拟合直线斜率的均值即为2n*的值,可求出2n*=36.3。将③所求变形激活能Q代入直线截距lnA2+n*ln0.58208-Q/RT 即可求出A2=6.79×1017
将α=0.0084、n=18.1549、Q=204950、A=7.2415×1017、A1=1.4974×10-20、 A2=6.79×1017、A3=2.4812×1012代入则所求250~300℃范围的本构方程为:
当ασ≤0.3,
Figure GDA0002451073440000103
当0.3<ασ<1.8,
Figure GDA0002451073440000104
当1.8≤ασ,
Figure GDA0002451073440000105
当ασ为任意值时:
Figure GDA0002451073440000106
同理,分别利用300~350℃和350~400℃范围内的峰值应力σp-应变速率
Figure GDA00024510734400001015
值按照同样的求解过程可求出300~350℃和350~400℃范围的本构方程,结果如下:
300~350℃范围的本构方程为:
当ασ≤0.3,
Figure GDA0002451073440000107
当0.3<ασ<1.8,
Figure GDA0002451073440000108
当1.8≤ασ,
Figure GDA0002451073440000109
当ασ为任意值时:
Figure GDA00024510734400001010
350~400℃范围的本构方程为:
当ασ≤0.3,
Figure GDA00024510734400001011
当0.3<ασ<1.8,
Figure GDA00024510734400001012
当1.8≤ασ,
Figure GDA00024510734400001013
当ασ为任意值时:
Figure GDA00024510734400001014

Claims (1)

1.一种镁合金材料本构关系模型的建立方法,其特征在于,镁合金的本构方程采用弹塑性体关于双曲正弦模型的热变形方程,即修正后的Arrhennius方程:
Figure FDA0002436198370000011
其中,ασ为任意值;
根据镁合金材料变形激活能随变形温度的变化关系将变形温度划分为2-3个区间来分别建立镁合金材料本构模型,本构关系模型采用简化的Arrhennius方程,即:
Figure FDA0002436198370000012
其中,
Figure FDA0002436198370000013
-应变速率,s-1;Q-变形激活能,J/mol,与材料有关;σ-流变应力,MPa;n-应力指数;T-温度,K;R-摩尔气体常数,8.314J/(mol·K);A和α为与材料有关的常数,A1=Aαn,A3=A/2n,A2的求解过程如③和⑤;
所述变形激活能Q的求解方法为:
(1)利用所有温度、应变速率下的峰值应力σp-应变速率
Figure FDA0002436198370000014
值,做拟合直线图
Figure FDA0002436198370000015
Figure FDA0002436198370000016
拟合直线斜率的均值即为1/n和1/nα的值,1/n和1/nα两值相除便可求出α;
(2)做拟合直线图
Figure FDA0002436198370000017
拟合直线斜率倒数的平均值为n的值;
(3)作拟合直线图ln[sinh(ασp)]-1/T,拟合直线的斜率的均值就是Q/nR的值;
(4)将所求Q/Rn和n代入Q/R=n·(Q/Rn)可求出变形激活能Q;
所述划分温度范围建立本构方程的具体方法为:
取所划分的某个变形温度范围内的峰值应力σp-应变速率
Figure FDA0002436198370000021
数据,具体包括:
①做拟合直线图
Figure FDA0002436198370000022
Figure FDA0002436198370000023
拟合直线斜率的均值即为1/n和1/nα的值,1/n和1/nα两值相除便可求出α;
②做拟合直线图
Figure FDA0002436198370000024
拟合直线斜率倒数的平均值即为n的值;
③做拟合直线图ln[sinh(ασp)]-1/T,则拟合直线的斜率的均值就是Q/nR的值,将本具体方法③所求的Q/nR和本具体方法②中所求n值代入Q/R=n·(Q/Rn),即可求出所划分的某个变形温度范围内的的变形激活能Q值;
④拟合直线
Figure FDA0002436198370000025
的截距为(1/n)(Q/RT-1nA),将本具体方法②所求n值和本具体方法③中所求Q值代入即可求出A的值,由A1=Aαn,A3=A/2n可求出A1和A3的值;
⑤做拟合直线
Figure FDA0002436198370000026
拟合直线斜率的均值为2n*的值,可求出n*,将本具体方法③所求变形激活能Q代入该直线截距ln A2+n*ln 0.58208-Q/RT,即可求出A2
根据某个温度范围的峰值应力σp-应变速率
Figure FDA0002436198370000031
数据,按照本具体方法即可确定A,A1,A2,A3,α,n,n*,Q值,由此可确定该温度范围的镁合金材料本构关系模型。
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