CN116913440B - 建立变形参数动态变化下多道次热变形本构模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了建立变形参数动态变化下多道次热变形本构模型的方法，涉及金属材料塑性成形过程技术领域，本方法适用于构建不同变形温度、不同应变速率、不同变形程度和不同保温时间的工程实际变形条件下，变形参数动态变化情况下的多道次热变形材料本构模型，解决了现有通用基于稳态恒定变形参数搭建的模型难以准确预测变形参数动态变化条件下多道次热变形应力应变关系的问题。本发明以归一化位错密度、再结晶体积分数和晶粒尺寸为状态变量，耦合热变形、道次间隙过程，实现多道次热变形过程微观组织和宏观流变行为的并联预测，与工程实际加工情况相符。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料塑性成形过程技术领域，特别涉及建立变形参数动态变化下多道次热变形本构模型的方法。
背景技术
金属本构模型是描述金属材料变形行为的数学模型，其作用和意义在于可以定量地描述金属材料的变形规律和力学性能，从而为工程设计和生产提供科学依据。金属本构模型的研究和应用，对于提高材料的成形性、优化加工工艺、控制成品质量等方面都具有重要的意义。常见本构模型分为唯象型和物理机制两类。唯象型本构模型是指忽略或部分忽略变形过程中物理机制，通过试验获取规律性结果，直接建立变形条件（包括变形程度、变形温度、应变速率等）与材料状态间的数学关系。而基于物理机制本构模型是基于变形过程中位错密度，再结晶体积分数和晶粒尺寸等微观物理量的变化机制，考虑宏观变形抗力和微观组织演变的关系，定量描述变形过程材料状态的连续变化。目前，不论基于唯象型还是物理机制的本构模型，多数是基于一次变形过程变形条件恒定不变的前提假设条件，没有考虑多道次成形过程中变形-道次间隙反复出现的过程。
然而，在热加工过程中变形条件并非恒定不变。例如：热轧过程板带存在咬入退出现象。在轧制界面入口侧至出口侧，后滑区至前滑区应变速率在变形过程中先减小后增大。并且，表面金属由于与轧辊的热交换作用，在变形过程中轧件表面变形温度瞬态降低。随着加工技术的发展，这种变形条件动态变化情况在先进塑性加工制造中将被进一步放大。例如：在多向锻造、等径角挤压以及高应变速率轧制等加工技术下，剧烈塑性变形加剧变形条件的动态变化。例如柔性轧制动态加工技术过程，由于轧制过程轧机退出和投入过程，轧件沿轧制方向几何形状发生变化，造成轧制过程变形温度、应变速率显著变化。因此，亟需建立一种适用于多道次压缩过程的热变形本构模型，准确预测变形条件动态变化的多道次变形过程中材料应力应变关系，对于金属材料塑性成形过程控形控性具有重要意义和实用价值。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或升级优化需求，本发明提供了建立变形条件动态变化下多道次热变形本构模型的方法，其目的在于针对前述问题，提供一种多道次热变形的本构模型构建方法和思路，使模型更适用于不同的变形温度、应变速率、变形程度和保温时间等实际变形条件下的应力应变关系预测，解决现有通用基于稳态恒定变形参数搭建的模型难以准确预测变形参数动态变化条件下多道次热变形应力应变关系问题。
建立变形参数动态变化下多道次热变形本构模型的方法，包括如下步骤：
S1：通过高温热物理模拟实验获取单道次热变形过程应力应变关系和双道次热变形过程应力应变关系并进行预处理；
S2：基于S1中预处理后的单道次热变形过程应力应变关系，根据扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，修正对应地模型系数；
S3：基于S1中预处理后的双道次热变形过程应力应变关系，根据扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型，修正对应地模型系数；
S4：耦合热变形阶段本构模型和道次间隙阶段本构模型，实现变形参数动态变化条件下多道次热变形本构模型构建。
优选地，S2中单道次热变形过程应力应变关系获取、预处理和修正包括如下几个子步骤：
S2-1：选取尺寸为或/>的圆柱压缩试样，进行不同应变速率和变形温度下单道次高温压缩试验，得到单道次工程应力应变关系，基于应变转化关系和数据预处理，将其转化为单道次真实应力应变关系；
S2-2：对得到的单道次真应力应变关系进行摩擦及绝热升温修正；
S2-3：基于修正后的单道次真应力应变关系，获取不同变形条件下屈服应力，并基于下式建立变形温度、应变速率与屈服应力/>间关系；
;
其中，分别为模型系数一到模型系数四，R为通用气体常数，其值为8.314，T为变形温度，/>为应变速率；
S2-4：获取加工硬化率-应力关系，并进一步获取不同变形条件下临界应变，对热变形过程动态回复阶段、动态再结晶阶段进行区分。
优选地，S3中双道次热变形过程应力应变关系获取、修正和处理包括如下几个子步骤：
S3-1：双道次热压缩试样尺寸与S2-1中圆柱压缩试样相同，双道次热变形试验变形温度、应变速率以及总变形量与单道次热变形试验相同，双道次热变形试验过程选用不同的保温时间以及双道次中的第一道次变形量，第一道次的变形量应至少包括小于临界应变和大于临界应变/>两种情况，得到双道次工程应力应变关系后，将双道次工程应力应变关系转化为双道次真实应力应变关系；
S3-2：根据S3-1中的真实应力应变关系得到双道次热变形实验中第一道次压缩试验的卸载应力，双道次压缩试验中第一道次/>和第二道次的屈服应力/>，计算道次间隙过程中曲线对应应力软化程度S和再结晶体积分数X，并将第一道次中变形小于当前变形条件下临界应变/>情况的应力软化程度/>和再结晶体积分数/>，命名为静态阶段应力软化程度/>和再结晶体积分数/>,将第一道次中变形大于当前变形条件下临界应变/>情况的应力软化程度/>和再结晶体积分数/>，命名为亚动态阶段应力软化程度/>和再结晶体积分数/>；
。
优选地，S2中扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型构建包括如下公式：
；
其中，为流动应力；E为弹性模量，其值以/>进行估算；/>为应变；分别为归一化位错密度变化速率、动态再结晶体积分数变化速率、孕育程度变化速率以及晶粒尺寸变化速率；/>分别为晶粒尺寸和初始晶粒尺寸；H为各向同性硬化应力；/>分别为归一化位错密度和临界归一化位错密度；/>为动态再结晶体积分数；/>为通过动态回复消除的位错密度；/>为动态再结晶孕育程度；分别为模型系数五到模型系数二十八，其中，与温度相关通过下式进行计算，其他系数为常数；
。
优选地，S2中扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型系数修正包括如下几个子步骤：
S5-1：基于区分后的热变形过程动态回复阶段真实应力应变曲线关系，求解扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型中不包括动态再结晶行为的所有模型系数；
S5-2：以临界应变时模型计算出归一化位错密度作为临界归一化位错密度，并基于下式构建临界归一化位错密度和应变速率、变形温度间的双曲正弦关系；
;
其中，为模型系数二十九到模型系数三十一；
S5-3：基于S3-1中求解的模型系数和S3-2求解的临界归一化位错密度，以热变形过程真实应力应变曲线关系，求解扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型的所有模型系数。
优选地，S3中扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型包括静态阶段和亚动态阶段两部分，当双道次热变形试验过程，第一道次变形未发生动态再结晶时，材料本构关系通过静态阶段模型进行计算，当第一道次变形发生动态再结晶时，材料本构关系通过亚动态阶段模型进行计算，静态阶段模型公式如下：
;
其中，为模型系数三十二至模型系数四十五，与温度相关，其计算公式如下，其他系数为常数；
;
亚动态阶段模型公式如下：
;
其中，分别为模型系数四十六至模型系数五十八，与温度相关，其计算公式如下，其他系数为常数
。
优选地，S3中扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型系数修正包括如下几个子步骤：
S7-1：以扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型计算与双道次实验条件相同情况下第一道次变形结束后归一化位错密度和再结晶体积分数；
S7-2：将S7-1求解第一道次变形结束后归一化位错密度和动态再结晶体积分数作为初始条件，以第一道次的变形量小于当前变形条件下临界应变的应力软化程度和再结晶程度，求解扩展的粘弹塑性道次间隙阶段静态再结晶本构模型系数；
S7-3：将S7-1求解第一道次变形结束后归一化位错密度和再结晶体积分数作为初始条件，以第一道次的变形量大于当前变形条件下临界应变的应力软化程度和再结晶程度，求解扩展的粘弹塑性道次间隙阶段亚动态再结晶本构模型系数。
优选地，S4中耦合热变形阶段本构模型和道次间隙阶段本构模型包括如下几个子步骤：
S8-1：当材料发生热变形时，通过S2构建的扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，计算热变形过程本构关系，并记录变形结束时，归一化位错密度和再结晶体积分数；
S8-2：当热变形结束进入道次间隙阶段时，通过S3构建的扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型，以双道次热变形过程中第一道次变形结束时记录的归一化位错密度和再结晶体积分数为初始条件，计算道次间隙过程本构关系，并记录道次间隙结束时，归一化位错密度和再结晶体积分数；
S8-3：当再次发生热变形时，通过S2构建的扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，以上一次道次间隙结束时，记录的归一化位错密度和再结晶体积分数作为初始条件，进行热变形过程本构关系的计算，并记录变形结束时，归一化位错密度和再结晶体积分数；
当发生多道次热变形时，重复S8-1至S8-3获得多道次热变形过程材料本构关系。
优选地，热变形过程中屈服应力，弹性阶段直线偏移0.02真实应变时与应力曲线的交点进行估算。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
（1）本发明的本构模型与实际加工情况相符，以归一化位错密度、再结晶体积分数和晶粒尺寸为状态变量，联系热变形、道次间隙过程，实现了多道次热变形过程微观组织和宏观流变行为的耦合预测。
（2）本发明的本构模适用范围广且需要数据量较少：通过实际检测证明，该方法不仅适用于不同温度和应变速率条件下的单道次压缩过程，而且适用于不同卸载应变和保温时间条件下的双道次压缩过程。并且普及到实际的多道次成形过程，并适用于数值模拟优化成形工艺；除此之外，还可以实现变形参数动态变化情况下多道次压缩过程本构关系预测；更加符合材料加工过程的真实情况。
（3）本发明的本构模型预测结果准确：与抽样的条件下的实验结果对比发现，本发明的本构模型与稳态单道次压缩实验结果的相关性系数0.991，平均相对误差为5.06%，平均绝对误差为4.77MPa；与亚动态阶段稳态双道次压缩实验结果的相关性系数为0.988，平均相对误差2.19%，平均绝对误差为2.61MPa；与静态阶段稳态双道次压缩实验结果的相关性系数为0.987，平均相对误差1.71%，平均绝对误差为2.54MPa；发明的本构模型与动态变形条件单道次压缩实验结果的相关性系数0.975，平均相对误差为3.97%，绝对误差为5.33MPa；因此本发明是一种可靠可信的数值方法，本构模型的流动应力预测值较为准确。
附图说明
图1为本发明的本构模型构建方法流程图。
图2为单道次压缩的工艺流程图。
图3为双道次压缩的工艺流程图。
图4为随机抽取的稳态变形条件下单道次压缩中流动应力试验值和使用本发明的方法获得的预测值的对比。
图5为随机抽取的亚动态阶段双道次压缩中流动应力试验值和使用本发明的方法获得的预测值对比。
图6为随机抽取的静态双道次压缩中流动应力试验值和使用本发明的方法获得的预测值对比。
图7为随机抽取的动态变形条件下单道次压缩中流动应力试验值和使用本发明的方法获得的预测值对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
建立变形参数动态变化下多道次热变形本构模型的方法，包括如下步骤：
S1：通过高温热物理模拟实验获取单道次热变形过程应力应变关系和双道次热变形过程应力应变关系并进行预处理；
S2：基于S1中预处理后的单道次热变形过程应力应变关系，根据扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，修正对应地模型系数；
S3：基于S1中预处理后的双道次热变形过程应力应变关系，根据扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型，修正对应地模型系数；
S4：耦合热变形阶段本构模型和道次间隙阶段本构模型，实现变形参数动态变化条件下多道次热变形本构模型构建。
S2中单道次热变形过程应力应变关系获取、预处理和修正包括如下几个子步骤：
S2-1：选取尺寸为或/>的圆柱压缩试样，进行不同应变速率和变形温度下单道次高温压缩试验，得到单道次工程应力应变关系，基于应变转化关系和数据预处理，将其转化为单道次真实应力应变关系；
S2-2：对得到的单道次真应力应变关系进行摩擦及绝热升温修正；
S2-3：基于修正后的单道次真应力应变关系，获取不同变形条件下屈服应力，并基于下式建立变形温度、应变速率与屈服应力/>间关系；
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其中，分别为模型系数一到模型系数四，R为通用气体常数，其值为8.314，T为变形温度，/>为应变速率；
S2-4：获取加工硬化率-应力关系，并进一步获取不同变形条件下临界应变，对热变形过程动态回复阶段、动态再结晶阶段进行区分。
S3中双道次热变形过程应力应变关系获取、修正和处理包括如下几个子步骤：
S3-1：双道次热压缩试样尺寸与S2-1中圆柱压缩试样相同，双道次热变形试验变形温度、应变速率以及总变形量与单道次热变形试验相同，双道次热变形试验过程选用不同的保温时间以及双道次中的第一道次变形量，第一道次的变形量应至少包括小于临界应变和大于临界应变/>两种情况，得到双道次工程应力应变关系后，将双道次工程应力应变关系转化为双道次真实应力应变关系；
S3-2：根据S3-1中的真实应力应变关系得到双道次热变形实验中第一道次压缩试验的卸载应力，双道次压缩试验中第一道次/>和第二道次的屈服应力/>，计算道次间隙过程中曲线对应应力软化程度S和再结晶体积分数X，并将第一道次中变形小于当前变形条件下临界应变/>情况的应力软化程度/>和再结晶体积分数/>，命名为静态阶段应力软化程度/>和再结晶体积分数/>,将第一道次中变形大于当前变形条件下临界应变/>情况的应力软化程度/>和再结晶体积分数/>，命名为亚动态阶段应力软化程度/>和再结晶体积分数/>;
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S2中扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型构建包括如下公式：
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S2中扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型系数修正包括如下几个子步骤：
S5-1：基于区分后的热变形过程动态回复阶段真实应力应变曲线关系，求解扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型中不包括动态再结晶行为的所有模型系数；
S5-2：以临界应变时模型计算出归一化位错密度作为临界归一化位错密度，并基于下式构建临界归一化位错密度和应变速率、变形温度间的双曲正弦关系；
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其中，为模型系数二十九到模型系数三十一；
S5-3：基于S3-1中求解的模型系数和S3-2求解的临界归一化位错密度，以热变形过程真实应力应变曲线关系，求解扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型的所有模型系数。
S3中扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型包括静态阶段和亚动态阶段两部分，当双道次热变形试验过程，第一道次变形未发生动态再结晶时，材料本构关系通过静态阶段模型进行计算，当第一道次变形发生动态再结晶时，材料本构关系通过亚动态阶段模型进行计算，静态阶段模型公式如下：
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其中，分别为模型系数四十六至模型系数五十八，与温度相关，其计算公式如下，其他系数为常数/>
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S3中扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型系数修正包括如下几个子步骤：
S7-1：以扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型计算与双道次实验条件相同情况下第一道次变形结束后归一化位错密度和再结晶体积分数；
S7-2：将S7-1求解第一道次变形结束后归一化位错密度和动态再结晶体积分数作为初始条件，以第一道次的变形量小于当前变形条件下临界应变的应力软化程度和再结晶程度，求解扩展的粘弹塑性道次间隙阶段静态再结晶本构模型系数；
S7-3：将S7-1求解第一道次变形结束后归一化位错密度和再结晶体积分数作为初始条件，以第一道次的变形量大于当前变形条件下临界应变的应力软化程度和再结晶程度，求解扩展的粘弹塑性道次间隙阶段亚动态再结晶本构模型系数。
S4中耦合热变形阶段本构模型和道次间隙阶段本构模型包括如下几个子步骤：
S8-1：当材料发生热变形时，通过S2构建的扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，计算热变形过程本构关系，并记录变形结束时，归一化位错密度和再结晶体积分数；
S8-2：当热变形结束进入道次间隙阶段时，通过S3构建的扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型，以双道次热变形过程中第一道次变形结束时记录的归一化位错密度和再结晶体积分数为初始条件，计算道次间隙过程本构关系，并记录道次间隙结束时，归一化位错密度和再结晶体积分数；
S8-3：当再次发生热变形时，通过S2构建的扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，以上一次道次间隙结束时，记录的归一化位错密度和再结晶体积分数作为初始条件，进行热变形过程本构关系的计算，并记录变形结束时，归一化位错密度和再结晶体积分数；
当发生多道次热变形时，重复S8-1至S8-3获得多道次热变形过程材料本构关系。
热变形过程中屈服应力，弹性阶段直线偏移0.02真实应变时与应力曲线的交点进行估算。
以316L奥氏体不锈钢的多道次压缩试验过程中的本构模型为实例说明本发明；具体流程如图1所示。
将316L奥氏体不锈钢加工成ϕ8×12mm圆柱压缩试样，单道次压缩试验在Gleeble3800物理模拟实验机上进行，具体试验工艺如图2所示。
在单道次热压缩试验过程中，试样首先以10℃/s加热到1150℃，保温240s以保证试样内部微观结构完全奥氏体化，其次在热电偶的控制下，以5℃/s的冷却速度将温度降低至1000℃、1050℃、1100℃，并保温120s确保试样内部温度均匀。随后分别0.001，0.01，0.1，1s-1的应变速率进行等温压缩实验，当试样压缩量到达60％时，将试样从设备中取出并快速水淬。根据以上的实验得出12条工程应力-工程应变曲线，将所有曲线变换为真实应力应变曲线。
考虑摩擦和绝热升温现象影响对真实应力应变曲线进行修正处理；基于修正后的真实应力应变关系，获取不同变形条件下屈服应力，并建立变形温度、应变速率与屈服应力/>间关系；进一步，获取加工硬化率-应力关系，并获取不同变形条件下临界应变/>，对热变形过程动态回复阶段、动态再结晶阶段进行区分。
在不同变形条件下动态再结晶发生前应力应变曲线上等间距的选取20个点，基于扩展的热变形阶段粘弹塑性本构模型，以预测应力值和实际应力值的相对误差最小为目标函数，采用MATLAB软件遗传优化算法工具包，对扩展的热变形阶段粘弹塑性本构模型中动态再结晶无关系数进行修正。
基于临界位错密度模型和扩展的热变形阶段粘弹塑性本构模型，在不同变形条件下动态再结晶发生后应力应变曲线上等间距的选取20个点，以预测应力值和实际应力值的相对误差为目标函数，采用MATLAB软件遗传优化算法工具包，对扩展的热变形阶段粘弹塑性本构模型中动态再结晶相关系数进行修正。
双道次压缩试验是在Gleeble3800物理模拟实验机上进行的。在双道次压缩过程中，分为两类。第一类为第一道次变形量大于当前变形条件下临界应变。变形条件分别为1000℃、1050℃、1100℃变形温度和0.1s-1应变速率；以及1100℃变形温度和0.01、1s-1应变速率，第一道次变形量为0.45真实应变左右，总体变形量为0.9真实应变左右。第二类为第一道次变形量小于当前变形条件下临界应变。变形条件分别为1000℃、1050℃变形温度和0.1s-1应变速率；以及1000℃变形温度和0.01、1s-1应变速率，第一道次变形量为0.25真实应变左右，总体变形量为0.5真实应变左右。在第一道次变形结束后，卸载保温一定时间，保温时间包括1s，10s，30s，100s，如图3所示。根据以上的实验得出12条工程应力-工程应变曲线，将所有曲线变换为真实应力应变曲线。
考虑摩擦和绝热升温现象影响对真实应力应变曲线进行修正处理；根据真实应力应变关系得到前一道次压缩的卸载应力，双道次压缩中第一道次和第二道次的屈服应力/>，计算道次间隙过程中曲线对应应力软化程度S和再结晶体积分数X，并将第一道次的变形小于当前变形条件下临界应变/>情况的应力软化程度/>和再结晶体积分数/>，命名为静态阶段应力软化程度/>和再结晶体积分数/>,将第一道次的变形大于当前变形条件下临界应变/>情况的应力软化程度/>和再结晶体积分数/>，命名为亚动态阶段应力软化程度/>再结晶体积分数/>;
以扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型计算与双道次实验条件相同情况下第一道次变形结束后归一化位错密度和再结晶体积分数；将求解第一道次变形结束后归一化位错密度和动态再结晶体积分数作为初始条件，基于第一道次的变形量小于当前变形条件下临界应变的应力软化程度和再结晶程度，以预测结果和实验结果的相对误差最小为目标函数，采用MATLAB软件，遗传优化算法工具包，求解扩展的粘弹塑性道次间隙阶段静态再结晶本构模型系数；将求解第一道次变形结束后归一化位错密度和再结晶体积分数作为初始条件，基于第一道次的变形量大于当前变形条件下临界应变的应力软化程度和再结晶程度，以预测结果和实验结果的相对误差最小为目标函数，采用MATLAB软件，遗传优化算法工具包，求解扩展的粘弹塑性道次间隙阶段亚动态再结晶本构模型系数；
当材料发生热变形时，通过扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，计算热变形过程本构关系，并记录变形结束时，归一化位错密度、再结晶体积分数和晶粒尺寸；当热变形结束进入道次间隙阶段时，通过扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型，以上一次变形结束时记录的归一化位错密度和再结晶体积分数为初始条件，计算道次间隙过程本构关系，并记录道次间隙结束时，归一化位错密度、再结晶体积分数和晶粒尺寸；当再次发生热变形时，通过S2构建的扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，以上一次道次间隙结束时，记录的归一化位错密度和再结晶体积分数作为初始条件，进行热变形过程本构关系的计算，并记录变形结束时，归一化位错密度、再结晶体积分数和晶粒尺寸；当发生多道次热变形时，重复S5-1至S5-3获得多道次热变形过程材料本构关系。
随机抽取的稳态变形条件下单道次压缩中流动应力试验值和使用本发明的方法获得的预测值的对比如图4所示，相关性系数0.991，平均相对误差为5.06%，平均绝对误差为4.77MPa；随机抽取的亚动态阶段双道次压缩中流动应力试验值和使用本发明的方法获得的预测值对比如图5所示，相关性系数为0.988，平均相对误差2.19%，平均绝对误差为2.61MPa；随机抽取的静态阶段双道次压缩中流动应力试验值和使用本发明的方法获得的预测值对比如图6所示，相关性系数为0.987，平均相对误差1.71%，平均绝对误差为2.54MPa；随机抽取的动态变形条件下单道次压缩中流动应力试验值和使用本发明的方法获得的预测值对比如图7所示，相关性系数0.975，平均相对误差为3.97%，绝对误差为5.33MPa。综上所述，本发明的一种适用于变形条件动态变化下多道次热变形过程的本构模型的建立方法是一种可靠，可行的数值分析方法，该方法适用于材料加工过程数值模拟优化成形工艺等领域。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.建立变形参数动态变化下多道次热变形本构模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过高温热物理模拟实验获取单道次热变形过程应力应变关系和双道次热变形过程应力应变关系并进行预处理；
S2：基于S1中预处理后的单道次热变形过程应力应变关系，根据扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，修正对应地模型系数；
S3：基于S1中预处理后的双道次热变形过程应力应变关系，根据扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型，修正对应地模型系数；
S4：耦合热变形阶段本构模型和道次间隙阶段本构模型，实现变形参数动态变化条件下多道次热变形本构模型的构建；
S2中单道次热变形过程应力应变关系获取、预处理和修正包括如下几个子步骤：
S2-1：选取尺寸为ϕ8×12mm或ϕ10×15mm的圆柱压缩试样，进行不同应变速率和变形温度下单道次高温压缩试验，得到单道次工程应力应变关系，基于应变转化关系和数据预处理，将其转化为单道次真实应力应变关系；
S2-2：对得到的单道次真应力应变关系进行摩擦及绝热升温修正；
S2-3：基于修正后的单道次真应力应变关系，获取不同变形条件下屈服应力，并基于下式建立变形温度、应变速率与屈服应力/>间关系；
，
其中，分别为模型系数一至模型系数四，R为通用气体常数，其值为8.314，T为变形温度，/>为应变速率；
S2-4：获取加工硬化率-应力关系，并进一步获取不同变形条件下临界应变，对热变形过程动态回复阶段、动态再结晶阶段进行区分；
S3中双道次热变形过程应力应变关系获取、修正和处理包括如下几个子步骤：
S3-1：双道次热压缩试样尺寸与S2-1中圆柱压缩试样相同，双道次热变形试验变形温度、应变速率以及总变形量与单道次热变形试验相同，双道次热变形试验过程选用不同的保温时间以及双道次中的第一道次变形量，第一道次的变形量应至少包括小于临界应变和大于临界应变两种情况，得到双道次工程应力应变关系后，将双道次工程应力应变关系转化为双道次真实应力应变关系；
S3-2：根据S3-1中的真实应力应变关系得到双道次热变形实验中第一道次压缩试验的卸载应力双道次压缩试验中第一道次/>和第二道次的屈服应力/>，计算道次间隙过程中曲线对应应力软化程度/>和再结晶体积分数/>，并将第一道次中变形小于当前变形条件下临界应变情况的应力软化程度/>和再结晶体积分数/>命名为静态阶段应力软化程度/>和再结晶体积分数/>，将第一道次中变形大于当前变形条件下临界应变情况的应力软化程度/>和再结晶体积分数/>，命名为亚动态阶段应力软化程度/>和再结晶体积分数/>；
，
，
S2中扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型构建包括如下公式：
，
，
，
，
，
，
其中，为流动应力；/>为弹性模量，其值以/>进行估算；/>为应变；分别为归一化位错密度变化速率、动态再结晶体积分数变化速率、孕育程度变化速率以及晶粒尺寸变化速率；/> 分别为晶粒尺寸和初始晶粒尺寸；/>为各向同性硬化应力；/>分别为归一化位错密度和临界归一化位错密度；/>为动态再结晶体积分数；/>为通过动态回复消除的位错密度；/>为动态再结晶孕育程度；分别为模型系数五至模型系数二十八，其中，与温度相关通过下式进行计算，其他系数为常数；
；
S2中扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型系数修正包括如下几个子步骤：
S5-1：基于区分后的热变形过程动态回复阶段真实应力应变曲线关系，求解扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型中不包括动态再结晶行为的所有模型系数；
S5-2：以临界应变时模型计算出归一化位错密度作为临界归一化位错密度，并基于下式构建临界归一化位错密度和应变速率、变形温度间的双曲正弦关系；
，
其中，为模型系数二十九至模型系数三十一；
S5-3：基于S3-1中求解的模型系数和S3-2求解的临界归一化位错密度，以热变形过程真实应力应变曲线关系，求解扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型的所有模型系数；
S3中扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型包括静态阶段和亚动态阶段两部分，当双道次热变形试验过程，第一道次变形未发生动态再结晶时，材料本构关系通过静态阶段模型进行计算，当第一道次变形发生动态再结晶时，材料本构关系通过亚动态阶段模型进行计算，静态阶段模型公式如下：
，
，
，
，
其中，为模型系数三十二至模型系数四十五，与温度相关，其计算公式如下，其他系数为常数；
，
亚动态阶段模型公式如下：
，
，
，
其中，分别为模型系数四十六至模型系数五十八，与温度相关，其计算公式如下，其他系数为常数；
；
S3中扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型系数修正包括如下几个子步骤：
S7-1：以扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型计算与双道次实验条件相同情况下第一道次变形结束后归一化位错密度和再结晶体积分数；
S7-2：将S7-1求解第一道次变形结束后归一化位错密度和动态再结晶体积分数作为初始条件，以第一道次的变形量小于当前变形条件下临界应变的应力软化程度和再结晶程度，求解扩展的粘弹塑性道次间隙阶段静态再结晶本构模型系数；
S7-3：将S7-1求解第一道次变形结束后归一化位错密度和再结晶体积分数作为初始条件，以第一道次的变形量大于当前变形条件下临界应变的应力软化程度和再结晶程度，求解扩展的粘弹塑性道次间隙阶段亚动态再结晶本构模型系数；
S4中耦合热变形阶段本构模型和道次间隙阶段本构模型包括如下几个子步骤：
S8-1：当材料发生热变形时，通过S2构建的扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，计算热变形过程本构关系，并记录变形结束时，归一化位错密度和再结晶体积分数；
S8-2：当热变形结束进入道次间隙阶段时，通过S3构建的扩展的粘弹塑性道次间隙阶段本构模型，以双道次热变形过程中第一道次变形结束时记录的归一化位错密度和再结晶体积分数为初始条件，计算道次间隙过程本构关系，并记录道次间隙结束时，归一化位错密度和再结晶体积分数；
S8-3：当再次发生热变形时，通过S2构建的扩展的粘弹塑性热变形阶段本构模型，以上一次道次间隙结束时，记录的归一化位错密度和再结晶体积分数作为初始条件，进行热变形过程本构关系的计算，并记录变形结束时，归一化位错密度和再结晶体积分数；
当发生多道次热变形时，重复S8-1至S8-3获得多道次热变形过程材料本构关系。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，热变形过程中屈服应力，弹性阶段直线偏移0.02真实应变时与应力曲线的交点进行估算。
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| CN115015318A (zh) * | 2022-06-15 | 2022-09-06 | 华中科技大学 | 一种大型构件热锻全流程宏微观分析方法及平台 |
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