Mg-Zn-Zr-Y合金高温塑性变形本构模型及流变行为预测

发布时间：2019-07-31 14:24

【摘要】：采用Gleeble热力模拟试验机对Mg-Zn-Zr-Y合金进行了高温压缩变形实验,分析了合金在变形温度为573~723K、应变速率为0.001~1 s-1范围内的流变行为。结果表明,热变形条件对流变特征和流变应力影响显著,流变曲线呈现"饱和非线性"和"正偏态分布"2种特征,应力水平随着变形温度的降低和应变速率的增大而提高。基于Arrhenius和Zener-Holloman方程,线性拟合确定了合金的表观变形激活能(Q=152.307 k J·mol~(-1))和应力指数(n=5.521)等参数,建立了描述塑性流变行为的本构方程。结果显示,该本构模型数值计算出的流变应力理论值与实验结果的吻合程度依赖于热变形条件的取值范围,与"饱和非线性"稳态流变特征的塑性变形行为基本吻合;而与加工硬化突出的"正偏态分布"流变行为存在一定偏差,引起理论峰值应变前移,但峰值应力水平仍基本符合。表明该本构模型在Mg-Zn-Zr-Y合金中表现出较好的实用性,尤其适用描述高变形温度(623 K)和低应变速率(0.01 s~( 1))下稳态塑性变形行为。
【图文】：

·3308·稀有金属材料与工程第46卷图2基于3种模型各变形温度下峰值应力与应变速率的变化关系Fig.2Peakstressversusstrainrateatdifferentdeformingtemperaturesbasedonthreemodels:(a)ln-ln;(b)ln-,and(c)ln-ln[sinh()]图3不同应变速率下ln[sinh()]-(1/T)的变化关系Fig.3Variationofln[sinh()]-(1/T)atdifferentstrainrates1212331ln1nnZZAA（12）Z参数被称为温度补偿的应变速率因子，可以用来综合分析应变速率和变形温度同时对材料流变行为的影响。将得到的Q平均值代入式（1），Z参数与和T的变化关系如图4所示，为保证单位量值便于观察，特取lnZ为纵坐标。图中显示，lnZ值随变形温度升高或应变速率减小而减小，且表现出了显著的递进变化关系，可充分证明公式（1）能够用来描述ZK系镁合金高温塑性变形过程中的流变应力行为。根据式（4）作lnZ-ln[sinh()]的关系曲线，线性回归后得到的实验合金结构因子平均值为A3=9.221×1010（如图5所示）。因此，在变形温度为573~723K、应变速率为0.001~1s-1范围内，实验合金塑性变形的高温本构模型表达式如下，3105.521152.307109.22110[sinh(0.017)]expRT（13）3152.30710expZRT（14）1215.52125.5211010110.0179.221109.22110ZZ（15）2.3流变行为预测及分析通过上述计算获得了该实验镁合金关于、和T之间的高温本构方程。为了验证该模型的准确性及适用范围，采用上述真应变=0.3时流变应力的计算方图4实验合金不同变形温度下lnZ同应变速率的关系Fig.4lnZversusstrainratesofthealloyatvarioustemperatures图5实验合金lnZ-ln[sinh()]的线性变化关系Fig

Mg-Zn-Zr-Y合金高温塑性变形本构模型及流变行为预测

第11期陈宝东等：Mg-Zn-Zr-Y合金高温塑性变形本构模型及流变行为预测·3309·法，在变形温度573~723K、应变速率0.001~1s-1范围内，真应变选取步长为0.05，分别求解出其它应变（=0.02~0.9）对应的各本构参数（如a、n、Q和A等），通过数值计算和多项式拟合方法[24-26]，，将引入了真应变的本构参数依次代入本构模型中的式(14)和式(15)，即可求得本构模型各真应变下的流变应力理论值，并与Gleeble热/力模拟压缩实验值进行对比，验证结果如图6所示。图中由空心圆构成的曲线为本构模型数值计算得到的流变应力理论值，实线为Gleeble热/力模拟得到的真应力-真应变曲线实验值。图6清晰描绘了流变应力数值计算结果与实验结果的吻合程度。对比发现，第1类“饱和非线性”稳态流变特征的曲线基本吻合，本构模型给出的流变特征及应力水平理论值与实验值基本符合；而第2类“正偏态分布”的亚稳态流变特征曲线存在一定偏差，其中理论结果未出现类似实验结果中加工硬化与动态软化强弱竞争的变化过程，即未见明显峰值现象，同时数值计算得到的峰值应变小于实验结果，从而导致最大变形抗力提前产生，但峰值应力水平仍基本吻合。结果显示，在低应变速率或较高变形温度下，本构模型给出的流变应力理论值和实验值基本吻合，峰值应力和峰值应变等重要技术指标基本符合；随着变形温度的降低或应变速率的增大，变形之初的硬化阶段二者出现一定偏差，理论峰值应力值略大于实验值，理论峰值应变提前于实验值，但塑性变形过程中的峰值应力水平仍基本符合。研究表明，比较适用于“饱和非线性”稳态流变特征的塑性变形过程。在实验合金塑性变形过程中，该本构模型适用的热变形条件范围为：变形温度应高于623K，应变速率应低于0.1s-1。图6实验合金流
【作者单位】：内蒙古工业大学;内蒙古化工职业学院;
【基金】：内蒙古自治区自然科学基金(2013ZD10,2015MS0510)
【分类号】：TG146.22

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