高温合金材料本构模型.pdf

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1、高等固体力学大作业学号：SY1413102姓名：刘冰河学院：交通科学与工程学院高温合金材料本构模型一．概述高温合金于20世纪40年代问世，它指以铁、钴、镍为基体，能在600C以上温度，一定应力条件下适应不同环境长时间或短时间使用的金属材料，具有较高的强度、塑性，良好的抗氧化、抗热腐蚀性能，良好的热疲劳性能，断裂韧性，良好的组织稳定性和使用可靠性。其主要分为铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金[1,2]。本构关系广义上是指自然界作用与由该作用产生的效应两者之间的关系。为确定物体在外部因素作用

2、下的响应，除必须知道反映质量守恒、动量平衡、动量矩平衡、能量守恒等自然界普遍规律的基本方程外，还须知道描述构成物体的物质属性所特有的本构方程，才能在数学上得到封闭的方程组，并在一定的初始条件和边界条件下把问题解决。因此，无论就物理或数学而言，刻画物质性质的本构关系是必不可少的。目前应用较多的本构模型主要包括弹塑性力学中的经典本构模型，如理想弹塑性模型、线性强化弹塑性模型、幂强化力学模型和刚塑性力学模型。然而塑性变形中应力-应变之间关系是非线性的，应变不仅与应力状态有关，而且和变形历史有关，因而研

3、究者还提出增量理论和全量理论进行描述主要形成。研究者在对金属材料的研究中不断提出新的本构模型，主要形成了两类本构模型：经验型本构模型，如Johnson－Cook模型、Rusinek-Klepaczko模型等；物理型的本构模型，如Hoge－Mukherjee模型、Zerilli－Armstrong模型、MTS模型等[3-5]。二．几种本构模型介绍经典本构模型主要有理想弹塑性模型，线性强化模型，幂强化力学模型，以及刚塑性模型，如图一所示。对于理想弹塑性模型来说,在研究材料的应力应变关系时，分两个阶段

4、。第一阶段为弹性变形，第二阶段为塑性变形。在塑性变形时，要考虑变形之前的弹性变形，而不考虑硬化的材料，也就是进入塑性状态后，应力不需要增加就可以产生塑性变形。材料屈服后不考虑其加工硬化对材料的影响的模型。对于刚塑性模型来说,是在大变形条件下为了使分析问题简化而对变形体提出的一种假设。这种材料在屈服前处于刚体状态,一旦达到屈服，即进入塑性流动状态，流动应力不随应变量而变化。线性强化模型将材料的塑性段线性的考虑进去,而幂强化模型则是对线性强化模型的一个改进。图一经典本构模型虽然经典的弹塑性本构理论发

5、展已经较为成熟，在工程中也得到的广泛的应用，但由于经典的本构理论具有较大的局限性，如材料的本构关系不仅由其本身的特性决定，同时受到外部环境的影响，因而我们在现代材料研究中必须建立能真实反应材料特性的本构关系在对高温合金本构模型的研究中，研究者们建立了各种经验的或者物理的模型，对高温合金的本构关系作出了很多研究，其中就有Johson-cook模型，Hollomon模型，Ludwik模型等等。现介绍几种本构模型：1.Johson-cook模型RCIn(AB)(1p)(1T)pm**(1)

6、ppp*p1其中A,B,C,D为材料常数，应变,是归一化的应变率,1s是参p00*m考应变率.T(TT)/(T)T,其中T是熔点温度T是室内温度.J-C模型形式00)mm0简单，参数较少，可通过试验数据方便的拟合出各参数，能较准确的预测多种金属材料的本构关系。但由于J-C模型对于应变、应变率和温度的效应简单的相乘，没有考虑到相互间的耦合关系，因而模型的应用受到一定的限制。现在有大量的高温合金运用此模型。2.Hollomon经验公式(改进)nm(2)K其中K是常数，n

7、是与应变相关的指数，m是与应变率相关的指数。对于这个模型来说，它主要用于定量地描述应变速率敏感性和应变强化对均匀应变强化区域内应力-应变曲线的影响。对于高温合金来说，有的高温合金，如一些钛合金会有比较明显的应变率效应。3.Ludwik模型Ludwik(又名Ludwig)模型是典型的定初值非饱和外推模型,其公式为:nA(3)0pLudwik模型是由Hollomon模型演化而来的,但由于()不再具有过原点的性质,p而是必过屈服点，且应力值无上限，属非饱和模型。4.Voce及其演化的

8、模型Voce模型是最早出现的1种饱和外推模型,其公式为:Am[1exp()](4)0p该模型必过屈服点，其上限值为limA。拟合所得的饱和流动应力在抗拉强0p度附近，而实际饱和流动应力应远大于。为减缓Voce模型的饱和速率，许多学者bb提出了多种改进模型，如Voce+Voce模型、Hockett-Sherby模型(简称H-S模型)和Voce++Voce模型等。Voce+Voce模型的公式为:Am[1exp(m)]A[1exp()](5)011