基于应变补偿的Fe-Mn-...密度钢等温压缩物理本构方程_孙建.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023基于应变补偿的 Fe-Mn-Al-C 低密度钢等温压缩物理本构方程孙 建1,2,3,4,5,程 锐2,3,4,5,王 梓2,3,4,5,李景辉1,黄贞益1(1.安徽工业大学 冶金工程学院,安徽 马鞍山 243002;2.铜陵学院 机械工程学院,安徽 铜陵 244061;3.工程液压机器人安徽省普通高校重点实验室,安徽 铜陵 244061;4.安徽省铜基新材料产业共性技术研究中心,安徽 铜陵 244061;5.铜陵市增材制造重点实验室,安徽 铜陵 244061)摘要:采用Gleeble-1500D 热模拟实验机,对Fe-27.51Mn-8.69Al-1.12C 低密度钢在变形温度为9001100 和应变速率为0.015 s-1范围内进行热压缩实验,通过实验数据分析了该钢的流动应力曲线特征,建立了考虑应变耦合的物理本构模型,并进行了验证分析。结果表明:变形温度和应变速率等热力学条件对低密度钢的流动应力影响较为显著,高温、低应变速率更有利于低密度钢的再结晶发生;基于峰值应力的低密度钢等温压缩物理本构方程的预测精度较高,其线性拟合相关系数为0.991;基于应变补偿的低密度钢等温压缩物理本构方程能够较好地描述其在热压缩条件下的流动应力变化规律,其相关系数r 为0.980,预测值与实验值的平均相对误差AARE 为6.9%。关键词:低密度钢;等温压缩;应变补偿;物理本构方程;流动应力DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.029中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0214-09Physical constitutive equation of Fe-Mn-Al-C low density steel under isothermal compression based on strain compensationSun Jian1,2,3,4,5,Cheng Rui2,3,4,5,Wang Zi2,3,4,5,Li Jinghui1,Huang Zhenyi1(1.School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243002,China;2.School of Mechanical Engineering,Tongling University,Tongling 244061,China;3.Key Laboratory of Construction Hydraulic Robots of Anhui Province Higher Education Institutes,Tongling 244061,China;4.New Copper-based Material Industry Generic Technology Research Center of Anhui Province,Tongling 244061,China;5.Key Laboratory of Additive Manufacturing of Tongling City,Tongling 244061,China)Abstract:The thermal compression experiment of Fe-27.51Mn-8.69Al-1.12C low density steel under the temperature of 900-1100 and the strain rate of 0.01-5 s-1 was carried out by thermal simulation experiment machine Gleeble-1500D,and the rheological stress curves characteris-tics of the steel were analyzed by the experimental data.Then,the physical constitutive model considering strain coupling was established,and the verification analysis was conducted.The results show that the thermodynamic conditions such as deformation temperature and strain rate have significant effects on the rheological stress of low density steel,and the high temperature and low strain rate are more conducive to the recrystalli-zation of low density steel.The prediction accuracy of physical constitutive equation for low density steel under isothermal compression based on peak stress is high,and the linear fitting correlation coefficient is 0.991.The physical constitutive equation of low density steel under isothermal compression based on strain compensation can better describe the change rule of rheological stress for low density steel under hot compres-sion,the correlation coefficient r is 0.980,and the average relative error AARE between the predicted and experimental values is 6.9%.Key words:low density steel;isothermal compression;strain compensation;physical constitutive equation;rheological stress收稿日期:2022-10-03;修订日期:2023-01-07基金项目:国家自然科学基金资助项目(51674004,51805002);安徽省高等学校自然科学研究重点项目(2022AH051760);铜陵学院自然科学研究项目(2017tlxy23);国家级本科生创新训练项目(202210383086);铜陵学院大学生科研基金项目(2021tlxydxs099);工程液压机器人安徽普通高校重点实验室开放课题资助(TLXY-CHR-O-21YB03);铜陵学院横向科研项目(2023tlxyxdz077)作者简介:孙 建(1988-),男,博士研究生,讲师E-mail:sjxa0913 通信作者:黄贞益(1966-),男,博士,教授E-mail:huangzhenyi 随着国家提出在 2030 年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标,减少温室气体排放、优化资源配置、解决气候变化问题日益紧迫。在工业制造领域,钢铁材料应用范围最为广泛,主要涉及汽车、建筑、桥梁、交通运输、船舶、航空航天和国防建设等方面。Fe-Mn-Al-C 低密度钢正是在这一时代背景下应运而生,其密度较普通钢铁通常低 10%以上,但强度和韧性可与钛合金相媲美,其制造成本仅与普通的不锈钢相当,可以实现减重、降耗的目的。以家用 5 座小汽车为例,车重若减少 170270 kg,在汽车整个使用生命周期内可减少约 3000 4500 kg 的温室气体排放量,有利于节能减排。Fe-Mn-Al-C 低密度钢根据组成相的不同可以分为 3 类:铁素体低密度钢、铁素体奥氏体双相低密度钢和奥氏体低密度钢1-7。其中,奥氏体低密度钢被认为是最具有发展潜力的一类低密度钢,其拉伸性能与高锰 TWIP 钢相似,在固溶处理条件下的冲击韧性略低于 Cr-Ni 不锈钢,但高于常规高强度钢,高应变率下的能量吸收 功 与 高 锰 TWIP 钢 相 似,但 高 于 常 规 深 冲钢8-9。Fe-Mn-Al-C 奥氏体低密度钢的合金成分范围为:Mn 含量为 1530%,Al 含量为 512%,C 含量为 0.52%。为了优化合金性能,会添加 Si、Ni、Cr、Cu、Mo、Nb、V 和 Ti 等合金元素,其抗拉强度范围为 800 1600 MPa,伸长率范围为 30%80%,具有优异的强塑性积10-18。为进一步优化低密度钢的热加工工艺,目前,针对 Fe-Mn-Al-C 系低密度钢的热变形行为开展了一系列的相关研究,Li Y P 等19研究了 Fe-27Mn-11.5Al-0.95C 奥氏体低密度钢的热变形行为,并建立了 Arrhenius 型本构方程。Liu D G 等20分析了 Fe-11Mn-10Al-0.9C 双相低密度钢热压缩时的流动应力变化特征,构建了热加工图。Kalantari A R 等21研究了 Fe-11.15Mn-5.6Al-0.07C 复相(奥氏体+铁素体+马氏体)低密度钢的热变形行为,建立了 Arrhenius 型本构方程并进行了修正,取得了较好的预测精度。Sun J 等22探究了 Fe-30Mn-10Al-1C 系低密度钢的热变形行为及低密度钢的再结晶情况,以 Arrhenius 型本构方程为基础,对低密度钢变形抗力进行了预测,预测精度较好。本构方程在材料有限元数值模拟的预测和热加工工艺优化方面具有重要作用,而传统的热加工变形行为的研究通常不考虑材料内部的微观结构变化,因此,计算所得材料常数为表观值而非实际值。近年来,也有一些学者提出了新的物理本构方程,并得到了一些应用研究23-24,可以较为准确地描述材料的流变行为。目前,对 Fe-Mn-Al-C 低密度钢热变形本构方程的研究大多集中在 Ar-rhenius 型双曲正弦本构方程,而基于应变补偿的物理本构模型研究较少。本文通过等温压缩实验得到了低密度钢的流动应力曲线,并利用新的物理本构方程对其热变形行为进行研究,分析了利用物理本构方程预测流动应力曲线的精准性,为今后精确预测该系钢的流变行为提供了一定的参考。1 实验材料与方法以奥氏体低密度钢为研究对象,其化学成分(%,质量分数)为:Mn 27.51,Al 8.69,C 1.12,余量为 Fe。采用真空感应电炉熔炼钢锭,其质量为25 kg,切取热压缩试样尺寸为 8 mm12 mm,在Gleeble-1500D 热模拟实验机上进行实验。热压缩温度范围为 900 1100,应变速率为 0.01 5 s-1。所有压缩试样以 20 s-1的升温速率加热至1150,保温 120 s 后以 10 s-1的速度冷却至变形温度,保温 30 s 后进行压缩变形,工程应变为0.6,真应变量为 0.9,具体工艺如图 1 所示。图 1 低密度钢等温热压缩实验工艺图Fig.1 Isothermal thermal compression process diagram of low density steel2 结果与分析2.1 真应力-真应变曲线特征图 2 为低密度钢在不同变形条件下的真应力-真应变曲线。由图 2 可知,应变速率和变形温度对流动应力变化的影响较为显著:随着变形温度的升高,低密度钢的流动应力逐渐降低;随着应变速率的升高,低密度