一种纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形本构模型的建立方法技术

一种纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形本构模型的建立方法，先根据半固态复合材料在高固相率下模锻成形数据，得到应力σ与应变ε、应变速率温度T、液相率fL、增强相纳米颗粒的体积分数fp及粒径dp之间的非线性关系。考虑纳米颗粒会引起Orowan增强机制对复合材料屈服强度影响，得本构模型为： σ = exp ( a + bf p + cf p 2 + d / T ) · ϵ n · ϵ · m · ( 1 - βf L ) a 1 · d p a 2 · [ 1 - ( α ϵ · ) m f p ] a 3 · [ 1 + λf p 1 3 d p - 1 ln ( kd p ) ] a 4 ]]>结合半固态模锻成形数据，通过线性回归方法，计算本构模型各参数。本发明专利技术准确的再现半固态模锻成形过程中应力应变变化规律，为复合材料半固态模锻成形过程的数值模拟和热力学参数制订与控制提供依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属基复合材料成形领域。技术背景材料的本构关系，即变形材料的流动应力与热力学参数(如应变、应变速率和变形温度)或状态参数(位错密度、晶粒尺寸和亚晶粒尺寸)之间的函数关系。它体现了材料在热塑性加工过程中对热力参数的动态响应，也是有限元法模拟材料塑性变形过程的重要前提。建立反映材料流动行为的本构关系通常有两种方法。第一种方法是事先假设变形机理，然后根据有关材料常数确定本构关系。这种方法具有一定的局限性，因为很难精确地描述材料的变形机理；第二种方法是在选定变形温度和应变速率的范围内，测定材料的流动应力，然后对实验数据进行数理统计以确定本构关系。虽然这种方法属于经验性的，但所建立的本构关系在相当宽的热力学参数范围非常有效，且不用考虑复杂的材料内部参数，因而这种方法得到了广泛的应用。从现有技术报道的得知，大量的研究主要集中于基体合金在热变形温度和半固态温度区间的本构关系的研究。公开号CN 104156590A专利技术专利通过再结晶重熔法(RAP)制得半固态组织，针对半固态纳米颗粒增强镁基复合材料触变压缩成形本构模型引进纳米增强相颗粒的Orowan增强机制的影响。但是，Orowan增强机制的充分发挥取决于纳米颗粒增强相粒径和体积分数的合理配合。纳米增强相粒径过小，体积分数过多，导致纳米增强相颗粒团聚；纳米增强相粒径过大，体积分数过少，纳米增强相颗粒与基体界面结合能低，都不能充分发挥纳米增强相颗粒的Orowan增强机制。纳米增强相颗粒的粒径过小，表面能高，易于团聚；粒径过大，界面结合能低，导致复合材料内部的气孔和缩孔等缺陷增多。而且，文献(Zhang Z et al,Materials Science and Engineering A,2008,483–484:148-152.)报道，增强相颗粒粒径只有在一定的范围内才会有明显的Orowan增强机制。因此纳米增强相颗粒的粒径对复合材料强化效应有非常重要的影响。另外，一般通过应变诱发熔化激活法(SIMA)和再结晶重熔法(RAP)制得半固态组织，但此方法时耗长，对设备的要求苛刻。但是，通过超声诱发可以制备出适合触变成形的球状半固态组织，而且时间短，成本更低。目前，还没有关于建立完整的纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形本构方程的建立方法的报道。由于半固态模锻成形过程，变形比较大，使用不准确的本构模型将严重影响数值模拟的精度。因此，提出一种纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形本构方程的建立方法，对半固态模锻成形技术的开发和应用具有重要的指导意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形本构模型的建立方法，为半固态纳米增强颗粒铝基复合材料在高固相率下模锻成形数值模拟提供可靠的依据。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术所述的纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形本构模型的建立方法，按以下步骤：(1)根据纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形实验所得的数据，得到应力σ、应变ε、应变速率温度T、液相率fL、增强相纳米颗粒的体积分数fp以及粒径dp之间的非线性关系式： σ ∝ exp ( a + bf p + cf p 2 + d / T ) · ϵ n · ϵ · m · ( 1 - βf L ) a 1 · d p a 2 [ 1 + ( α ϵ · ) m f p ] a 3 ]]>式中：σ为应力；ε为应变；为应变速率；T为绝对温度；fL液相率；fp为增强相颗粒纳米体积分数；dp为增强相颗粒纳米粒径；a,b,c,d,a1,a2和a3为常数项；n为应变硬化指数；α为修正系数；m为应变速率敏感指数；β为几何参数。(2)在上述关系式基础上，考虑纳米颗粒会引起Orowan增强机制对复合材料的屈服强度影响，将纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形的本构模型表达为： σ = exp ( a + bf p + cf p 2 + d / T ) · ϵ n · ϵ · m · 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形本构模型的建立方法，其特征是按以下步骤：(1)根据纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形实验所得的数据，得到应力σ、应变ε、应变速率温度T、液相率fL、增强相纳米颗粒的体积分数fp以及粒径dp之间的非线性关系式：σ∝exp(a+bfp+cfp2+d/T)·ϵn·ϵ·m·(1-βfL)a1·dpa2[1+(αϵ·)mfp]a3]]>式中：σ为应力；ε为应变；为应变速率；T为绝对温度；fL液相率；fp为增强相颗粒纳米体积分数；dp为增强相颗粒纳米粒径；a,b,c,d,a1,a2和a3为常数项；n为应变硬化指数；α为修正系数；m为应变速率敏感指数；β为几何参数；(2)在上述关系式基础上，考虑纳米颗粒会引起Orowan增强机制对复合材料的屈服强度影响，将纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形的本构模型表达为：σ=exp(a+bfp+cfp2+d/T)·ϵn·ϵ·m·(1-βfL)a1·dpa2[1+(αϵ·)mfp]a3·[1+fOrowan]a4---(1)]]>式中：a4为常数；fOrowan为Orowan增强机制的相关因子，表示为：fOrowan=λfp13dp-1ln(kdp)---(2)]]>其中：λ=0.16Gmbσym---(3)]]>k=12b---(4)]]>式中：Gm为剪切模量；b为伯格斯矢量；σym为基体压缩屈服强度；因此，纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形的本构模型表达为：σ=exp(a+bfp+cfp2+d/T)·ϵn·ϵ·m·(1-βfL)a1·dpa2[1+(αϵ·)mfp]a3·[1+λfp13dp-1ln(kdp)]a4---(5)]]>(3)对所得的本构模型中各参数求解：将式(5)两边取对数，进行非线形回归转化为线形回归处理，将半固态纳米增强铝基复合材料在高固相率的模锻成形实验数据代进式中后，并对其修正系数α值进行不断修正，以使得中的m值与中的m一致。...

【技术特征摘要】
1.一种纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形本构模型的建立方法，其特征是按以下步骤：(1)根据纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形实验所得的数据，得到应力σ、应变ε、应变速率温度T、液相率fL、增强相纳米颗粒的体积分数fp以及粒径dp之间的非线性关系式： σ ∝ exp ( a + bf p + cf p 2 + d / T ) · ϵ n · ϵ · m · ( 1 - βf L ) a 1 · d p a 2 [ 1 + ( α ϵ · ) m f p ] a 3 ]]>式中：σ为应力；ε为应变；为应变速率；T为绝对温度；fL液相率；fp为增强相颗粒纳米体积分数；dp为增强相颗粒纳米粒径；a,b,c,d,a1,a2和a3为常数项；n为应变硬化指数；α为修正系数；m为应变速率敏感指数；β为几何参数；(2)在上述关系式基础上，考虑纳米颗粒会引起Orowan增强机制对复合材料的屈服强度影响，将纳米颗粒增强铝基复合材料半固态模锻成形的本构模型表达为： σ = exp ( a + bf p + cf p 2 + d / T ) · ϵ n · ϵ · m · ( 1 - βf L ) a 1 · d p a 2 [ 1 + ( α ϵ · ) m f p ] a 3 · [ 1 + f O r o w a n ] a 4 - - - ( 1 ) ]]>式中：a4为常数；fOrowan为Orowan增强机制的相关因子，表示为： f O...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫洪，邹秀亮，陈小会，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36