金属细晶超塑本构方程及应用

【摘要】：根据金属学超塑性变形机理研究结果,应用细观力学的研究方法,本文建立了多晶体金属细晶超塑性的本构方程。在所建立的本构关系中选择材料的晶粒度、孔洞体积分数等超塑性变形特别敏感的材料微观结构参数作为热力学内部状态变量,使得所建立的本构关系包括了超塑性大变形过程中可能发生的晶粒长大,动态再结晶和微孔洞损伤的发展(长大和闭合)过程。其中晶粒度的演化方程是根据动态再结晶和晶粒长大两个物理过程的微观机理建立起相应的细观模型,给出自由能表达式后确定的。在研究孔洞长大和闭合的问题时,给出了包括孔洞形状参数的等效应力与静水压力的粘性约束方程以及相应的本构关系。本文还给出了颗粒强化复合材料的超塑性本构关系,并用它讨论了强化颗粒体积分数对材料超塑性能的影响。 使用本文所建立的本构关系对金属超塑性实验中一些重要现象和典型的超塑成形过程进行了分析和计算,例如,晶粒度应变速率对超塑性能影响,晶粒长大过程及影响因素,动态再结晶过程以及由此引起的晶粒细化和应力软化等。计算结果与实验结果符合较好。这说明本文给出的超塑性本构关系反映了金属超塑变形的主要物理特征。 最后给出了高强铝合金超塑性大变形扭转实验的微观组织变化和宏观力学性能变化的实验结果,使用所建立的本构关系对实验中观察到的应力软化、微裂纹扩展失稳和轴向力效应进行分析,所得计算结果与实验结果非常一致,这一方面是对本文给出的本构关系的考核,另一方面也说明超塑性大变形过程中材料的微观组织变化与宏观力学性能变化之间的相互耦合的特性。