CN102519801B - 用真应力-真应变曲线建立铝合金动态再结晶模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用真应力-真应变曲线建立铝合金动态再结晶模型的方法。属于材料微观组织分析领域。采用高温拉伸试验得到的真应力-真应变曲线求出材料的硬化率，通过分析硬化率的变化确定不同条件下的峰值应变、峰值应力和稳态应力，再根据经验公式建立峰值应变、临界应变数学模型和动态再结晶体积分数。本发明克服了用金相方法研究材料的再结晶行为的滞后、费时、不全面和不精确的缺点，结合有限元软件后可以定量分析铝合金的动态再结晶体积分数变化情况。

Description

用真应力-真应变曲线建立铝合金动态再结晶模型的方法

技术领域

本发明属于材料微观组织分析领域，主要涉及一种用真应力-真应变曲线建立铝合金动态再结晶数学模型的方法。

背景技术

利用铝合金在超塑性状态下的优异变形性能发展起来的超塑性成形技术，可以在小吨位设备上成形形状复杂、其他塑性加工工艺难以或不能成形的零件，能够满足轨道车辆铝合金零件的成形需要。铝合金具有较高的强度，良好的塑性、抗腐蚀性及加工性等优点，已成为汽车、轨道交通工业超塑成形热门材料，可大大减轻车辆自重，促进交通产业节能和环保发展。控制成形性能最有效的方法就是控制晶粒大小。铝合金超塑变形中经常伴随晶粒长大，晶粒长大将增加流动应力，降低材料的超塑性能，严重的会造成成形失败。研究晶粒长大及其对零件成形的影响是铝合金超塑成形微观组织模拟的主要目的。晶粒的长大与热成形过程中或热处理过程中的动态再结晶，亚动态再结晶和静态再结晶密切相关。再结晶受一些过程变量，如成形温度，应变速率，原始晶粒大小和变形量的影响。研究材料的再结晶行为常采用金相观察方法，这种方法滞后、费时又不全面和精确。近年来发展了用有限元方法模拟材料在变形过程中的微观组织演变，建立微观组织演变的数学模型是关键。用金相方法来得到数学模型滞后又费时。该发明用真应力-真应变曲线建立铝合金动态再结晶数学模型，弥补了金相方法的不足，可以定量分析铝合金的动态再结晶体积分数变化情况。

发明内容

针对现有用金相方法确定动态再结晶数学模型的方法，本发明提出一种用真应力-真应变曲线建立铝合金动态再结晶数学模型的方法。

本发明基于高温拉伸试验和线性回归方法，采用下述步骤建立铝合金动态再结晶数学模型。

1)在微机控制电子万能热拉伸试验机RG2000-20上进行高温拉伸试验。应变速率范围选择为6.56×10^-5～6.56×10^-3S^-1。试验温度定为623K、673K、723K、773K、793K、808K。

2)用高温拉伸试验得到的真应力-真应变曲线求解硬化率。当应变速率与变形温度一定时，应力随应变的变化率称为硬化率，即θ＝dσ/dε。

3)通过不同变形条件下θ-ε和θ-σ曲线求出不同变形条件下的峰值应变ε_p、峰值应力σ_p和稳态应力σ_ss。

4)用3)求得的峰值应变、峰值应力建立峰值应变及临界应变数学模型，可求出数学模型中各系数值。

临界应变数学模型：ε_c＝0.8ε_p    (1)

峰值应变数学模型： ${\mathrm{\ϵ}}_p=a_1{d_0}^{n_1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{m_1}\exp (Q_1/\mathrm{RT})---\left(2\right)$

其中a₁、n₁、m₁为材料常数，d₀为原始晶粒大小，为应变速率，单位为S^-1，Q₁为再结晶激活能，单位为J/mol，R为气体常数，T为试验温度；

5)用3)峰值应力和稳态应力确定动态再结晶体积分数。

动态再结晶体积分数可表示为X_drex＝(σ_p-σ)/(σ_p-σ_ss)    (3)

根据Avrami方程，动态再结晶体积分数还可以表示为：

X_drex(ε≤ε_c)＝0    (4)

$X_{\mathrm{drex}}(\mathrm{\ϵ}>{\mathrm{\ϵ}}_c)=1-\exp [-{\mathrm{\β}}_d{((\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_c)/\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}})}^{k_d}]---\left(5\right)$

将上式进行转换，得式ln[-ln(1-X_drex)]＝lnβ_d+k_d lnt，其中

画出不同变形条件下的ln[-ln(1-X_drex)]和lnt的线性关系。从曲线的斜率和截距可得常数β_d和k_d。从而确定数学模型中各系数。

附图说明

图1为高温拉伸试样几何尺寸,板材厚度为2mm。

图2中a，b分别为在623K和673K条件下，不同应变速率时AA5083硬化率θ与应力之间的关系。

图3中a，b分别为在623K和673K条件下，不同应变速率时AA5083硬化率θ与应变之间的关系。

图4为温度623K下不同应变速率下ln[-ln(1-X_drex)]-lnt。

图5为应变速率3.28E-3下不同温度下ln[-ln(1-X_drex)]-lnt。

具体实施方式

实施例

试验采用5083板材,其化学成分(质量分数)见表1

表1 试验5083板材化学成分

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Ni	Zn	Ti	Zr	Be	Na	V	Al
														0.08	0.05	0.01	0.6	4.61	0.1	0.15	0.034	0.029	0.24	0.0006	0.0008	0.048	其余

高温单拉试验在微机控制电子万能热拉伸试验机RG2000-20上进行，试样的几何尺寸如图1所示，板材厚度为2mm。

采用的应变速率为6.56×10^-5～6.56×10^-3S^-1；温度为623K、673K、723K、773K、793K、808K。拉伸变形前试样需保温5分钟，使试样均匀达到设定目标温度。

用高温拉伸试验得到的真应力-真应变曲线求解硬化率。见附图2和3。通过不同变形条件下θ-ε和θ-σ曲线求出不同变形条件下的峰值应变、峰值应力和稳态应力。

用式(1)和式(2)运用不同变形条件下AA5083的ε_p，用线性回归确定公式(2)中常数，这里令n₁＝0，即忽略d₀的影响。

将公式(2)两边取对数，转化为线性回归问题

$\ln {\mathrm{\ϵ}}_p=\ln a_1+m_1\ln \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}+\frac{Q_1}{R}\frac{1}{T}---\left(7\right)$

分别画出定温度下和定应变速率下用origin7.0线性拟合求平均值后得a₁＝0.009728；m₁＝0.06539；Q₁＝5114.849J/mol。

可得出AA5083临界应变方程：ε_c＝0.8ε_p

画出不同变形条件下的ln[-ln(1-X_drex)]和lnt的线性关系。如附图4，5所示。从曲线的斜率和截距可得常数β_d和k_d。见表2和表3.

表2 温度623K下不同应变速率的动态再结晶动力学参数

表3 应变速率3.28E-3下不同温度的动态再结晶动力学参数

因此就建立了AA5083的动态再结晶数学模型。

Claims (1)

1.一种用真应力-真应变曲线建立铝合金动态再结晶模型的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

a、在微机控制电子万能热拉伸试验机RG2000-20上进行高温拉伸试验：应变速率范围选择为6.56×10^-5～6.56×10^-3S^-1；试验温度定为623K、673K、723K、773K、793K、808K；

b、用高温拉伸试验得到的真应力-真应变曲线求解硬化率：当应变速率与变形温度一定时，应力随应变的变化率称为硬化率，即θ＝dσ/dε；

c、通过不同变形条件下θ-ε和θ-σ曲线求出不同变形条件下的峰值应变ε_p、峰值应力σ_p和稳态应力σ_ss；

d、用c中求得的峰值应变、峰值应力建立峰值应变及临界应变数学模型，可求出数学模型中各系数值；

临界应变数学模型：ε_c＝0.8ε_p；

峰值应变数学模型： ${\mathrm{\ϵ}}_p=a_1{d_0}^{n_1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{m_1}\exp (Q_1/\mathrm{RT});$

其中a₁、n₁、m₁为材料常数，d₀为原始晶粒大小，为应变速率，单位为S^-1，Q₁为再结晶激活能，单位为J/mol，R为气体常数，T为试验温度；

e、用c中峰值应力和稳态应力确定动态再结晶体积分数：

动态再结晶体积分数表示为X_drex＝(σ_p-σ)/(σ_p-σ_ss)；

根据Avrami方程，动态再结晶体积分数还可以表示为：

X_drex(ε≤ε_c)＝0；

$X_{\mathrm{drex}}(\mathrm{\ϵ}>{\mathrm{\ϵ}}_c)=1-\exp [-{\mathrm{\β}}_d{((\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_c)/\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}})}^{k_d}];$

将上式进行转换，得式ln[-ln(1-X_drex)]＝lnβ_d+k_dlnt，其中

画出不同变形条件下的ln[-ln(1-X_drex)]和lnt的线性关系，从曲线的斜率和截距得常数β_d和k_d，从而确定数学模型中各系数。