高应变速率下TA1纯钛薄板的J-C本构及失效模型研究_黄艺帆.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023高应变速率下 TA1 纯钛薄板的 J-C 本构及失效模型研究黄艺帆1,2,董芃欣1,2,吴泽霖1,2,曹全梁1,2,谌 祺1,2,韩小涛1,2(1.华中科技大学 国家脉冲强磁场科学中心,湖北 武汉 430074;2.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室,湖北 武汉 430074)摘要:为探究 TA1 纯钛的动态力学性能,对 0.5 mm 厚度的 TA1 纯钛薄板试样进行了准静态以及不同应变速率下的动态拉伸实验,建立了能够真实反映 TA1 纯钛在高应变速率和较大应变范围内的塑性变形特征的 Johnson-Cook(J-C)本构模型,并对原始模型进行了修正;同时,对不同缺口半径的 TA1 纯钛拉伸试样进行了准静态拉伸实验,建立了基于应力三轴度的失效模型。将建立的 J-C 本构与失效模型应用于 LS-Dyna 中进行仿真模拟,并与实验数据对比,验证了模型的有效性与实用性。关键词:TA1 纯钛;动态力学性能;本构模型;失效模型;应力三轴度DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.033中图分类号:TG146 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0236-08Research on J-C constitutive and failure models for TA1 pure titanium sheet under high strain rateHuang Yifan1,2,Dong Pengxin1,2,Wu Zelin1,2,Cao Quanliang1,2,Chen Qi1,2,Han Xiaotao1,2(1.National Pulsed High Magnetic Field Science Center,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.State Key Laboratory of High Power Electromagnetic Engineering and New Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:In order to explore the dynamic mechanical properties of TA1 pure titanium,the quasi-static and dynamic tensile experiments of TA1 pure titanium sheet samples with the thickness of 0.5 mm under different strain rates were carried out,the Johnson-Cook(J-C)con-stitutive model truly reflecting the plastic deformation characteristics of TA1 pure titanium in high strain rate and large strain range was es-tablished,and the original model was modified.Meanwhile,the quasi-static tensile experiments were carried out on TA1 pure titanium tensile samples with different notch radii,and the failure model based on stress triaxiality was established.The established J-C constitutive and failure models were applied to LS-Dyna for simulation,and the validity and practicability of the model were verified by comparing with the experimental data.Key words:TA1 pure titanium;dynamic mechanical properties;constitutive model;failure model;stress triaxiality收稿日期:2022-04-27;修订日期:2022-08-02基金项目:国家自然科学基金资助项目(52077092);湖北省重点研发项目(2021BAA174)作者简介:黄艺帆(1996-),男,硕士研究生E-mail:cris 通信作者:韩小涛(1974-),男,博士,教授E-mail:xthan 钛及钛合金具有强度高、耐温性好、耐蚀性强等特性,在电力、化学装备、生物工程、航空航天等领域均被广泛使用1-7,尤其是薄壁钛合金板在制备燃料电池双极板中具有重要应用8-9。而在室温下纯钛具有严重的各向异性,不利于成形,而高温退火可有效改善其各向异性10。退火后的钛呈现出高屈服强度、低弹性模量的特征,这使其具有较大的回弹量,且易断裂、塑性变形范围较窄,致使零件的贴模性能较差。同时,力卸载后制件的形状通常会出现明显改变,从而导致几何精度受到很大影响。为解决上述问题,在生产制造中可采用高速成形工艺,如爆炸成形、电液成形、电磁成形等,这些成形工艺可显著提升金属材料的成形极限,并且可有效抑制回弹。研究表明,钛合金在高应变速率下的力学性能和失效行为与其在准静态下有较大区别,且其流动应力、失效应变与材料所受的应力状态以及应变速率有极大的相关性11。因此,有必要研究在高应变速率下钛合金的动态力学性能和失效行为,用以指导钛合金的电磁成形工艺。建立准确的本构模型与失效模型是研究金属材料塑性变形行为和失效行为的重要手段。在本构模型方 面,目 前 使 用 较 多 的 一 般 有 Johnson-Cook(J-C)模型12、Steinberg-Cochran-Guinan(S-C-G)模型13、Cowper-Symonds(C-S)模型14等,以及在上述模型的基础上进行修正的模型。如邓将华等15通过准静态压缩实验和分离式 Hopkinson 压杆实验,获得不同应变速率和特定温度环境下 TA1 纯钛的应力-应变曲线,并以此拟合得到了 J-C 本构模型参数。该研究工作虽然考虑了应变速率以及温度对 TA1 纯钛试样变形过程的影响,但是该实验采用的是毫米级圆柱压缩试样,对于亚毫米级与微米级的薄板金属材料,其自身变形与失效行为受尺寸效应的影响较大,所以,其拟合得到的模型对于该类材料而言会有较大误差。苏娟华等16使用 Gleeble-1500D 热模拟实验机对 TA1 纯钛试样在变形温度分别为 700、800、900 和 950 和应变速率分别为0.01、0.1、1 和 5 s-1条件下的流动应力进行研究,并由此建立了可以描述应力与应变、应变速率以及变形温度之间关系的 Arrhenius 本构方程。但该研究考虑的应变速率范围较小,不能准确反映高应变速率下 TA1 纯钛的变形过程;同时,该实验采用压缩试样来分析 TA1 纯钛的动态力学性能,由于包辛格效应的存在,所构建的本构模型无法应用于冲压、拉拔等工艺过程。在失效模型方面,很多研究者均以应力三轴度、温度、应变速率等参数作为主要研究内容,分析他们对材料失效行为的影响。如陈刚等17研究了应力三轴度、温度和应变速率对 45 钢失效应变的影响,结果表明,应力三轴度的影响最大,且失效应变随应力三轴度的增加而降低。朱浩等18深入研究了应力三轴度和应变速率对 6063 铝合金力学特性和失效过程的影响,实验表明,应力三轴度的减小将使失效应变增加。Lou Y S 等19考虑到材料空洞的成核、生长和剪切聚合所引起的损伤积累,提出了一种考虑应力三轴度和罗德参数的失效模型,该模型对于韧性断裂的金属材料的失效行为具有较好预测性。目前,关于 TA1 纯钛失效行为的研究较少,也没有学者提出较为准确有效的失效模型,因此,有必要对其进行补充和完善。鉴于此,针对氢燃料电池金属双极板用钛合金材料动态特性研究的需要,本文以 0.5 mm 厚度的TA1 纯钛薄板为研究对象,通过准静态及一系列高速拉伸实验来研究 TA1 纯钛薄板的动态力学性能并建立 J-C 本构模型;其次,基于上述本构模型,结合有限元模拟方法,研究 TA1 纯钛薄板的失效应变与应力三轴度的关系,拟合得到 J-C 失效模型参数,从而建立 TA1 纯钛薄板的失效应变与应力三轴度、应变速率的关系模型;最后,将仿真得到的拉伸试样位移-轴向力曲线与实验曲线进行对比,以验证建立的本构与失效模型的有效性与实用性。1 TA1 纯钛的力学性能1.1 拉伸试样的制备准静态与动态拉伸实验所用的 TA1 纯钛薄板试样形状依据 ISO 6892-1:2016 20以及实验设备的相关参数设计,并对试样进行 600 120 min 的高温退火热处理。TA1 纯钛薄板的拉伸试样如图 1 所示,试样厚度为 0.5 mm,主要化学成分如表 1 所示。图 1 室温拉伸实验试样图Fig.1 Sample diagram of tensile experiment at room temperature表1 实验用 TA1 纯钛薄板的主要化学成分(%,质量分数)Table 1 Main chemical compositions of TA1 pure titanium sheet used in experiment(%,mass fraction)FeONCHTi0.250.200.030.10.005余量1.2 准静态及动态拉伸实验及结果为了在较宽的应变速率范围内研究 TA1 纯钛薄板的静动态力学特性,本实验将试样拉伸的应变速率预设为 0.001、1、10、100 和 1000 s-1共 5 个等级,并对每种应变速率进行 3 组平行重复实验。名义应变速率 p的计算公式为:p=vl(1)式中:v 为拉伸机拉伸速率;l 为试样平行区的长度。根据 式(1)可 得,试 样 平 行 区 的 长 度 为12.5 mm,故试样预设拉伸速率分别为 0.0125、12.5、125、1250 和 12500 mms-1。在加载过程中,由于受夹持端间距、平行区长度、过渡弧半径732第 3 期黄艺帆等:高应变速率下 TA1 纯钛薄板的 J-C 本构及失效模型研究 等试样形状以及材料本构特性的影响,变形过程中试样的实际应变速率会小于名义应变速率。借助数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)技术,测量出试样的平行区域在变形过程中的平均拉伸速率如表 2 所示。由于应变速率与拉伸速率呈线性关系,因此,通过对拉伸机预设的拉伸速率进行线性调整即可使试样的实际应变速率更加接近名义应变速率21。调整拉伸速率后得到的真实应力-真实应变曲线如图 2 所示。表 2 试样的预设拉伸速率与实测拉伸速率Table 2 Preset and measured tensile velocities of specimens预设应变速率/s-1预设拉伸速率/(mms-1)实测平均拉伸速率/(mms-1)预设拉伸速率与实测平均拉伸速率之比0.0010.0125 0.0113 1.10112.5 9.84 1.2710125 96.15 1.301001250 860 1.45100012500 11900 1.05图 2 TA1 纯钛薄板在不同应变速率下的真实应力-真实应变曲线Fig.2 True stress-true strai