一种粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型构建方法与流程

本发明属于粉末烧结材料高温塑性加工工程领域，特别是涉及一种适用于纯铁、碳钢、合金钢成分粉末烧结体的热轧、热挤压、热锻工艺和模具设计的粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型的构建方法。
背景技术：
：本构模型是描述材料流变应力与应变、应变速率和变形温度间依赖关系的数学模型，反映材料变形的基本信息，是材料加工工艺(包括轧制、挤压、锻造等)和模具计算机辅助设计的必要基础。粉末烧结材料由于孔隙的存在，其高温塑性变形行为不同于传统铸锻材料，在发生高温塑性流变的同时也在发生致密化，传统铸锻材料的本构模型已不适于粉末烧结材料。因此，通过数值分析方法，建立精确、稳定描述粉末烧结材料高温流变和致密化行为的本构模型是目前粉末烧结材料热加工工艺和模具设计过程急需解决的问题。目前，国内外在粉末烧结材料本构模型方面已开展了大量研究，尤其是在冷变形方面，采用压制曲线法研究压制压力与粉末体瞬时致密度间关系，建立关于压制压力和瞬时致密度的本构模型。【阮建明，黄培云.粉末冶金原理，机械工业出版社，2015.李元元，夏伟，周照耀，李风雷，刘明俊，吴苑标.基于有限变形弹塑性本构方程的金属粉末压制成形力学建模及数值模拟.数字制造科学.2009,7(2):1-28.华林，秦训鹏.粉末烧结材料屈服条件研究和进展.武汉理工大学学报.2004,26(4):1-5.SongYi,LiYuanyuan,ZhouZhaoyao.Improvedmodeland3Dsimulationofdensificationprocessforironpowder.Trans.NonferrousMet.Soc.China.2010,20:1470-1475.】在粉末烧结材料热加工过程中，除了致密度，还必须考虑变形温度和应变速率对粉末烧结材料热变形行为的影响，建立关于流变应力、致密度、变形温度和应变速率的本构模型。近年来，有文献报道了采用粉末烧结材料的初始烧结致密度、变形温度和应变速率表示粉末烧结材料在热变形过程中的峰值或者近似稳态流变应力的本构模型构建方法。【M.A.JabbariTaleghani,E.M.RuizNavas,M.Salehi,J.M.Torralba.Hotdeformationbehaviorandflowstresspredictionof7075aluminiumalloypowdercompactsduringcompressionatelevatedtemperatures.MaterialsScienceandEngineeringA.2012,534:624-631.DesalegnWogasoWolla,M.J.Davidson,A.K.Khanra.ConstitutivemodelingofpowdermetallurgyprocessedAl-4％Cuperformsduringcompressionatelevatedtemperature.MaterialsandDesign.2015,65:83-93.】然而，实际热加工过程中，粉末烧结材料的流变应力和致密度通常是随加工过程的进行不断变化的，应该采用瞬时致密度表示粉末烧结材料在不同状态下的高温流变应力，以准确表征粉末烧结材料在热加工过程中的高温塑性流变致密化行为。但是，目前尚未有耦合流变应力、瞬时致密度、变形温度和应变速率的粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型及其构建方法。因此，必须设计合理的热加工模拟实验，系统考察粉末烧结材料的高温流变应力、瞬时致密度、变形温度和应变速率间的耦合关系，构建更精确、稳定的粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型，准确表征粉末烧结材料的高温塑性流变致密化行为，精确预测粉末烧结材料在不同热加工条件下的流变应力和瞬时致密度。技术实现要素：有鉴于此，本发明针对目前尚未有耦合流变应力、瞬时致密度、变形温度和应变速率的粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型及其构建方法的问题，提供了一种粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型构建方法。为了解决上述技术问题，本发明公开了一种粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型构建方法，该方法包括以下步骤：步骤1：获得各粉末烧结材料在不同热加工条件下的流变应力和瞬时致密度数据；步骤2：以步骤1中所获得的粉末烧结材料的流变应力和瞬时致密度数据为基础，通过数值拟合分析，建立粉末烧结材料高温流变应力σ、瞬时致密度ρ、变形温度T和应变速率ξ间的非线性本构关系模型；步骤3：确定本构模型中各待定系数。进一步地，步骤1具体包括：步骤1.1：根据不同粉末烧结材料的成分和组织组成，通过热力学计算分析各粉末烧结材料的固-液转变线、奥氏体-铁素体转变线和二次渗碳体析出线，然后结合各粉末烧结材料的热加工工艺和设备条件，设计并进行系统的热加工模拟实验，测得不同热加工条件下粉末烧结材料的流变应力数据；步骤1.2：通过热加工模拟应变中断实验，分别测得不同热加工条件下粉末烧结材料的瞬时致密度数据。进一步地，步骤2中建立的各粉末烧结材料的高温塑性流变致密化本构模型包括致密化硬化函数η(ρ)和基体动态流变应力函数σ0(T,ξ)两部分，具体如下：或者：其中，σ、ρ、T、ξ分别为粉末烧结材料的流变应力、瞬时致密度、变形温度和应变速率，Q为热变形激活能，R为理想气体常数，a、mˊ、m、α、A和n为材料特征参数；当致密度ρ＝1时，表示粉末烧结材料全致密，此时的流变应力σ等于其基体流变应力σ0。进一步地，所述步骤3具体包括：步骤3.1：对步骤1中所获得的粉末烧结材料在不同热加工条件下的流变应力σ和瞬时致密度ρ数据按下式进行非线性拟合分析，得到致密化函数η(ρ)中材料特征参数a、mˊ和m，以及不同热加工条件下的基体流变应力值σ0；步骤3.2：以步骤3.1中拟合得到的粉末烧结材料在不同热加工条件下的基体流变应力σ0数据为基础，通过数值拟合分析，确定下列式中的各材料特征参数α、A，n和热变形激活能Q；其中，α＝β/nˊ。进一步地，步骤3.2具体包括：步骤3.2.1：由分别推得一定温度下：可得材料特征参数α＝β/nˊ；步骤3.2.2：由分别在一定的变形温度和应变速率下推得可得热变形激活能Q和材料特征参数n、A。进一步地，该构建方法可用于纯铁、碳钢和合金钢成分粉末烧结体的热轧、热挤压、热锻等加工工艺和模具设计过程。与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：1)本发明方法通过合理、系统的热加工模拟实验，获得各粉末烧结材料在不同热加工条件下的流变应力和瞬时致密度数据；通过数值拟合分析，建立粉末烧结材料热加工过程流变应力σ、瞬时致密度ρ、变形温度T和应变速率ξ间的非线性本构关系模型；该本构模型表征的流变应力σ(ρ,T,ξ)包括致密化硬化函数η(ρ)和基体流变应力函数σ0(T,ξ)两部分，能够直观和精确地描述粉末烧结材料热加工过程的高温塑性流变和致密化行为，充分揭示粉末烧结材料的高温塑性流变致密化机制；该本构模型可以精确预测不同热加工条件下粉末烧结材料的流变应力和瞬时致密度；该本构模型适用于粉末烧结材料从初始烧结致密度到全致密(ρ＝1)范围内的流变应力及瞬时致密度模拟预测，具有良好的稳定性。2)该模型能够精确模拟预测粉末烧结材料在不同热加工工艺条件下进行轧制、挤压、锻造时的流变应力和瞬时致密度，可用于粉末烧结材料的热轧、热挤压、热锻的模具和工艺优化设计，提高设备选型及模具和工艺设计效率，具有良好的工程适用性。当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明实施例中粉末烧结纯铁本构模型预测流变应力与实测流变应力对比；图2是本发明实施例中粉末烧结纯铁本构模型预测瞬时致密度与实测瞬时致密度对比；图3是本发明实施例中粉末烧结纯铁本构模型预测流变应力稳定性分析；图4是本发明实施例中粉末烧结纯铁本构模型预测瞬时致密度稳定性分析；图5是本发明实施例中粉末烧结FC0205本构模型预测流变应力与实测流变应力对比；图6是本发明实施例中粉末烧结FC0205本构模型预测瞬时致密度与实测瞬时致密度对比；图7是本发明实施例中粉末烧结FC0205本构模型预测流变应力稳定性分析；图8是本发明实施例中粉末烧结FC0205本构模型预测瞬时致密度稳定性分析；图9是本发明实施例中粉末烧结F0005本构模型预测流变应力与实测流变应力对比；图10是本发明实施例中粉末烧结F0005本构模型预测瞬时致密度与实测瞬时致密度对比；图11是本发明实施例中粉末烧结F0005本构模型预测流变应力稳定性分析；图12是本发明实施例中粉末烧结F0005本构模型预测瞬时致密度稳定性分析。具体实施方式以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。本发明粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型构建方法，具体包括以下步骤：步骤1：获得各粉末烧结材料在不同热加工条件下的流变应力和瞬时致密度数据；步骤1.1：根据不同粉末烧结材料的成分和组织组成，通过热力学计算分析各粉末烧结材料的固-液转变线、奥氏体-铁素体转变线和二次渗碳体析出线，然后结合各粉末烧结材料的热加工工艺和设备条件，设计并进行系统的热加工模拟实验，测得不同热加工条件下粉末烧结材料的流变应力数据；步骤1.2：通过热加工模拟应变中断实验，分别测得不同热加工条件下粉末烧结材料的瞬时致密度数据；步骤2：以步骤1中所获得的粉末烧结材料的流变应力和瞬时致密度数据为基础，通过数值拟合分析，建立粉末烧结材料高温流变应力σ、瞬时致密度ρ、变形温度T和应变速率ξ间的非线性本构关系模型；由于大量孔隙的存在，粉末烧结材料在热加工过程中同时发生高温流变和致密化，因此其热加工变形行为涉及两个方面：一方面是因为烧结材料热加工过程内部孔隙被压缩闭合，导致其变形抗力增加而产生的致密化硬化；另一方面是因为烧结材料热加工过程基体发生加工硬化和动态软化而产生的基体动态流变。所以，粉末烧结材料的热加工变形行为应综合致密化硬化和基体动态流变两个方面进行描述，缺少任何一方面都不能准确表征粉末烧结材料热加工过程的实际流变致密化情形。为此，本发明提出包含致密化硬化函数η(ρ)和基体动态流变应力函数σ0(T,ξ)两部分的粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型，具体如下：或者：其中，σ、ρ、T、ξ分别为粉末烧结材料的流变应力、瞬时致密度、变形温度和应变速率，Q为热变形激活能，R为理想气体常数，a、mˊ、m、α、A和n为材料特征参数。当致密度ρ＝1时，表示粉末烧结材料全致密，此时的流变应力σ等于其基体流变应力σ0。步骤3：确定本构模型中各待定系数。步骤3.1：对步骤1中所获得的粉末烧结材料在不同热加工条件下的流变应力σ和瞬时致密度ρ数据按下式进行非线性拟合分析，得到致密化函数η(ρ)中材料特征参数a、mˊ和m，以及不同热加工条件下的基体流变应力值σ0；步骤3.2：以步骤3.1中拟合得到的粉末烧结材料在不同热加工条件下的基体流变应力σ0数据为基础，通过数值拟合分析，确定下列式中的各材料特征参数α、A，n和热变形激活能Q；其中，α＝β/nˊ；步骤3.2.1：由分别推得一定温度下：可得材料特征参数α＝β/nˊ；步骤3.2.2：由分别在一定的变形温度和应变速率下推得可得热变形激活能Q和材料特征参数n、A。本构模型预测精度分析：图1、2分别为将此模型用于模拟预测粉末烧结纯铁材料高温塑性流变致密化过程(变形温度800-900℃，应变速率0.01-10s-1)的高温流变应力σ和瞬时致密度ρ预测结果与实验结果的对比，其中流变应力预测精度全部控制在误差小于5％，瞬时致密度预测精度全部控制在误差小于1.5％，满足实际热加工工程应用要求。本构模型稳定性分析：图3、图4分别为将此模型用于粉末烧结纯铁材料在未达到全致密(ρ≤1)前的流变应力σ和瞬时致密度ρ预测，可以看出，即使粉末烧结纯铁材料的致密度从初始烧结致密度增加到全致密(ρ＝1)，该模型仍具有良好稳定的预测能力。对以上获得的粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型进行实际热加工过程的应用验证。具体如下：实施实例1：FC0205粉末烧结合金钢热加工过程流变应力和瞬时致密度预测及稳定性分析。对粉末冶金零件用典型成分的该粉末烧结合金钢样品，结合热力学计算和热加工条件，获得其热加工参数范围：加工温度850-1000℃；加工应变速率0.01-10s-1，设计如下热模拟实验：初始烧结致密度0.80；变形温度(℃)：850,900,950,1000；应变速率(s-1)：0.01,0.1,1.0,10。按上述本构模型对实验结果进行处理，得到FC0205粉末烧结合金钢高温塑性流变致密化本构模型材料特征参数(见表1)。将表1中材料特征参数代入本发明所提出的非线性本构关系模型，即可获得FC0205粉末烧结合金钢热加工过程的高温塑性流变致密化本构模型。该本构模型预测FC0205粉末烧结合金钢热加工过程(变形温度850-1000℃，应变速率0.01-10s-1)的高温流变应力σ和瞬时致密度ρ值与实验值对比分别见图5和图6，其中流变应力预测误差均小于5％，瞬时致密度预测误差几乎全部小于2％，满足实际热加工工程应用要求。该本构模型预测FC0205粉末烧结合金钢热加工过程(变形温度850-1000℃，应变速率0.01-10s-1)高温流变应力和瞬时致密度的稳定性分析分别见图7和图8，从图中可以看出，该本构模型适用于FC0205粉末烧结合金钢从初始烧结致密度到全致密范围内的所有流变应力和瞬时致密度预测，具有良好稳定的预测能力。表1FC0205粉末烧结合金钢高温塑性流变致密化本构模型材料特征参数amαAnm′Q0.550.507.52×10-36.58×10105.482.00267.10实施实例2：F0005粉末烧结钢热加工过程流变应力和瞬时致密度预测及稳定性分析。对粉末冶金零件用典型成分的该粉末烧结钢样品，结合热力学计算和热加工条件，获得其热加工参数范围：加工温度850-950℃；加工应变速率0.01-10s-1，设计如下热模拟实验：初始烧结致密度0.80；变形温度(℃)：850,880,910,940；应变速率(s-1)：0.01,0.1,1.0,10。按上述本构模型对实验结果进行处理，得到F0005粉末烧结钢高温塑性流变致密化本构模型材料特征参数(见表2)。将表2中材料特征参数代入本发明所提出的非线性本构关系模型，即可获得F0005粉末烧结钢热加工过程的高温塑性流变致密化本构模型。该本构模型预测F0005粉末烧结钢热加工过程(变形温度850-940℃，应变速率0.01-10s-1)的高温流变应力σ和瞬时致密度ρ值与实验值对比分别见图9和图10，其中流变应力预测误差均小于5％，瞬时致密度预测误差均小于1.5％，满足实际热加工工程应用要求。该本构模型预测F0005粉末烧结钢热加工过程(变形温度850-940℃，应变速率0.01-10s-1)高温流变应力和瞬时致密度的稳定性分析分别见图11和图12，从图中可以看出，该本构模型适用于F0005粉末烧结钢从初始烧结致密度到全致密范围内的所有流变应力和瞬时致密度预测，具有良好稳定的预测能力。表2F0005粉末烧结钢高温塑性流变致密化本构模型材料特征参数综上，利用本发明提出的一种粉末烧结材料高温塑性流变致密化本构模型及构建方法，可以满足涉及纯铁、碳钢、合金钢成分粉末烧结材料的热轧、热挤压、热锻等塑性加工工艺和模具设计过程中所需粉末烧结材料的高温塑性流变致密化行为的模拟预测要求。上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。当前第1页1 2 3