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Cu-Nb金属基复合材料热变形本构关系的研究

邹立颖  
【摘要】:Cu-Nb金属基复合材料因其较高的强度、良好的导电性和耐高温性受到世界各国科研人员的关注。有关Cu-Nb复合材料的力学行为研究对该类材料的发展和应用具有重要指导意义。通过材料热变形过程中的本构关系的建立可以定量地描述材料的变形温度、应变速率、流动应力等热变形工艺参数对材料力学性能的影响规律,为材料力学行为的研究提供可靠数据支持。 本文利用Gleeble-3500热模拟实验机,在20℃~700℃、0.001/s~10/s范围内,对Cu-Nb复合材料进行了等温等应变速率轴向拉伸实验;为了进一步研究其组分对Cu-Nb复合材料变形机制的影响,对纯Nb块体进行了等温等应变速率平面压缩实验。通过真应力—应变曲线,研究了热变形工艺参数对流变应力的影响规律。通过对热模拟实验数据的系统分析,在Arrhenius方程的基础上增加了应变变量关键参数,提出了针对Cu-Nb复合材料和纯Nb块体的本构关系模型。本文主要获得以下研究成果和结论: 1.对于Cu-Nb复合材料,相同应变速率下,随变形温度的升高,原子运动加剧,位错间相互对消作用更加明显,位错密度降低,软化作用加强,因此流变应力减小;相同变形温度下,随应变速率的升高,位错产生、运动数目增大,位错间发生交割的几率增大,位错的平衡密度增大,软化作用受到抑制,因此流变应力增大。对于纯Nb块体,相同应变速率下,随温度的升高流变应力下降,但在相同变形温度下,随应变速率的升高,纯Nb块体流变应力变化趋于平稳,这可能是由于变形温度和应变速率耦合作用的结果。 2.在不同测试条件下,Cu-Nb复合材料的热拉伸应力—应变曲线均呈现明显的屈服现象,主要归结为两个原因:(1)拉伸进入塑性变形阶段后,位错密度陡然增大;(2)增强相Nb纤维对位错运动的阻碍作用。 3.室温条件下,Cu-Nb复合材料内部的软化机制以动态回复为主;在200℃到700℃范围变形时,材料内部的软化机制以动态再结晶为主。纯Nb块体在20℃到700℃范围变形时,主要软化机制为动态回复。这是由于与其体材料相比,经过大塑变的冷加工过程后的Nb增强纤维更容易发生动态再结晶,从而促使Nb动态再结晶温度的进一步降低,同时使Cu-Nb复合材料在更低的温度下发生动态再结晶。 4.在/Arrhenius方程基础上,增加了应变变量关键参数,提出了针对Cu-Nb复合材料和纯Nb块体的本构关系模型,并以该模型为基础,建立了两种材料关于温度、应变和流变应力的本构关系模型,基于MATLAB工作平台,给出了一种本构方程的求解方法,分别建立了两种材料本构模型的定量关系式,并进行了准确性验证,Cu-Nb复合材料在建立的本构关系模型中98.5%的数据点拟合精度均达到90%以上;纯Nb块体的数据点拟合精度均在85%以上,拟合效果较好。以上的最佳拟合模型可以对Cu-Nb复合材料力学行为的研究起到很好的指导作用。


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