《超塑性大延伸率變形力學機制的理論和試驗研究》是依託吉林大學，由管志平擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：超塑性大延伸率變形力學機制的理論和試驗研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：管志平
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
超塑性大延伸率變形絕大部分都集中在似穩定變形階段，其中頸縮遊動發揮著關鍵作用，目前對頸縮遊動的基本規律和力學機制的認識還很不成熟。本項目針對大延伸率超塑性材料的頸縮遊動行為進行理論和試驗研究。理論研究基於以前的研究成果，首先假設超塑性拉伸頸縮遊動行為源於應變硬化/軟化、應變速率敏感和應力鬆弛的綜合效應，據此結合材料參數的試驗測量建立超塑本構模型；試驗研究以拉伸試樣的非接觸視頻測量為主，確定頸縮遊動的具體形式，並歸納其基本規律；基於本構模型，結合試驗歸納的基本規律，分析頸縮遊動行為的力學機制，針對不同載入方式下具體變形路徑給出定量解析結果和數值模擬結果；將理論結果和試驗結果進行綜合分析與比較，通過考察本構模型有效性驗證理論假設，並最終確定頸縮遊動的基本規律和力學機制，系統研究材料參數和外部條件對極限延伸率的影響規律，以期為解釋產生超塑性大延伸率現象的外部條件和內在機制提供理論依據。
結題摘要
材料的超塑性是以其顯著的斷裂延伸率為主要特徵，而超塑性大延伸率與其力學穩定性密切相關，並最終決定於其特殊的斷裂機制。揭示超塑性大延伸率現象本質的首要任務是從超塑性拉伸巨觀力學規律出發，採用精確的本構方程，深入定量地研究其力學穩定變形機制。本項目首先針對大延伸率傳統超塑合金Zn-5%Al和Al-Zn-Mg-Zr，分別進行恆應變速率、恆速度和定載荷路徑下的超塑性拉伸試驗以及對應不同應變值的應力鬆弛試驗，獲得相應的試驗數據，並觀察了拉伸後試樣的頸縮分布形態。在理論研究方面，通過力學分析指出傳統超塑性本構方程的局限性，並首次提出了兩種針對大延伸率超塑性材料的變參數本構方程：（1）變參數唯像本構方程，由唯像學基本理論推導，基於材料參數m和n值的精確測量，具有明確的力學涵義，在局部應變速率和應變範圍具有較高預測精度，適用於實際超塑性成形工藝分析；（2）變參數Rossard本構方程，基於試驗數據的曲面擬合，蘊含了應變和應變速率對應力耦合作用。經驗證，兩種變參數本構方程均具有優於傳統超塑本構方程的預測精度，特別適用於大延伸率超塑性材料成形工藝的精確模擬。以往針對拉伸頸縮產生的預測都是定性的，本項目首次建立了超塑性材料乃至率敏感材料拉伸頸縮產生的定量預測方法，基於材料參數的精確測量以及相應的變參數本構方程，導出反映材料力學性能的失穩極限應變與應變速率的關係及相應曲線，此關係表明率敏感性拉伸頸縮的產生僅與應變和應變速率的最終狀態量有關，而與變形路徑、變形條件和變形歷史無關，這對於實際生產中縮短成形時間和獲取最大成形性具有參考價值。另外，給出了具體變形路徑下拉伸試驗頸縮產生的預測公式及相應結果。大延伸率超塑性材料在頸縮產生後通過頸縮遊動繼續似穩定拉伸變形，此前國內外還未有頸縮遊動機制的報導。本項目首次發現了拉伸變形的最小抗力原則，即在拉伸過程中自由邊界條件下非穩定變形所遵循的力學機制。基於此原則，通過分析闡明了頸縮遊動是應變硬化、應變速率敏感性和應力鬆弛效應三者相互制衡的結果，其中應力鬆弛效應發揮很大的作用，材料的應力鬆弛能力隨著應變的增加而不斷耗竭，並最終導致斷裂，給出了材料參數（m、n和τ值）和載入條件對極限延伸率的影響規律。本項目成功地解釋了大延伸率超塑性現象的力學本質，豐富了超塑性力學理論體系，其結論也適用於率敏感性材料的成形，並對高溫板衝壓的成形極限和斷裂的預測研究具有借鑑意義。
