不同温度及应变速率条件下AZ80镁合金临界损伤因子研究_权国政

不同温度及应变速率条件下AZ80镁合金临界损伤因子研究＊
权国政1,佟　莹2,周　杰1
(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044;2.重庆电子工程职业学院机电工程系,重庆401331)
摘　要:　以变形条件对AZ80镁合金材料临界损伤因子的影响为主要研究目标,确立了物理试验与数值模拟仿真相互佐证寻求临界损伤因子的基本思路。

完成不同温度和应变速率条件下多组试样的热物理模拟压缩试验,利用采集到的真应力-真应变数据作为-数值模拟的基本材料参数完成物理试验的仿真再现,发现最大损伤值总是出现在镦粗鼓的最外缘部位,损伤软化现象对应变速率较为敏感。

提出损伤敏感率的概念并完成该指标的计算,对损伤敏感率曲线进行局部线性回归拟合,从而确定了损伤敏感率为0,即裂纹产生的时刻,并将该时刻的最大损伤因子作为临界损伤因子。

计算出AZ80镁合金在不同温度及应变速率下的临界损伤因子分布规律,发现AZ80镁合金的临界损伤因子不是一个常数,而是一个在0.0218～0.378范围内变化的变量,其对应变速率变化较温度变化更为敏感。

关键词:　热物理模拟;临界损伤因子;敏感率;镁合金中图分类号:　TG113.25;TG115.5文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2010)05-0892-03
1　引　言
镁合金具有密排六方结构,滑移系较少,低温塑性较差,采用热塑性或温塑性成形是提高其可加工性的一种有效加工方法[1]。

但是在复杂的应力应变作用下,材料应力-应变能达到临界值后要形成裂纹并不断扩展,最后完全丧失连续性产生断裂。

对镁合金材料的韧性断裂行为的描述离不开对其临界损伤因子(即最大拉应力-应变能)的确定。

通常学者们认为:金属材料的临界损伤因子是一个与材料的性质(组成元素、微观组织、夹杂、表面条件及均匀性)与变形历史有关的常数,而这个常数应该不随着工艺参数(温度、变形速度、摩擦与润滑)的改变而变化,这个常数成为众多塑性成形工艺数值模拟时重要的韧性断裂准则[2]。

纵观国内外的研究可知,目前鲜有学者研究临界损伤因子受材料变形条件的影响[1～6]。

在这样的研究中通常将遇到如下两个瓶颈问题:(1)缺少高速摄像装备,在热物理模拟压缩或拉伸实验中无法准确地捕捉到表面裂纹的出现时刻;(2)无法正确处理所采集到的应力-应变数据,所以无法有效利用其获得临界损伤因子。

提出一种损伤敏感率的概念,及实验与数值模拟仿真相互佐证的途径,对损伤敏感率曲线进行局部的线性回归拟合,从而确定了损伤敏感率为0即裂纹产生的时刻,并最终将该时刻的最大损伤因子作为临界损伤因子。

绘制并分析所获得的不同应变速率及温度条件下AZ80镁合金材料的临界损伤因子变化规律曲面,发现临界损伤因子对应变速率的变化更为敏感,而并非常数。

对AZ80镁合金材料的临界损伤因子进行准确描述,将为该材料塑性成形工艺模拟中微裂纹产生的时机进行准确预测。

所建立的确定临界损伤因子的方法将在一定程度上取代高速摄像。

2　Cockcroft-Latham损伤敏感率定义
为了分析金属塑性变形过程中裂纹的产生,不少学者从不同角度提出了各自的模型。

Cock ro ft与Latham[2,5,6]提出的韧性断裂准则以空穴理论(属于损伤累积理论)为基础,将静水应力的作用作了最简单的表达,即最大拉应力沿应变积分获得最大拉应力-应变能,有一个固定最大值C max。

Cockcroft和Latham认为断裂主要与拉伸主应力有关,即对于给定的材料,在一定的温度和应变速率下,当最大拉应力-应变能达到材料的临界损伤因子时材料产生断裂。

因此,最大拉应力-应变能即Cockcroft-Latham损伤因子C(如公式(1)所示)是衡量材料失效程度的一个重要指标,它的极限值C max即为临界损伤因子。

C max与材料的冶金性能如微观组织、合金成分、晶粒尺寸及形态等有关,并受到变形条件的影响。

C=∫εf0σTσdε(1) 式中,εf为材料断裂时的等效塑性应变;σ为等效应力;σT为变形过程中某一时刻某一单元内的最大拉应力;dε为等效应变增量;C为损伤因子。

材料在塑性变形过程中,当最大主应力σ1≥0时,σT=σ1;当σ1<0时,σT=0。

在数值计算中,将这种累积损伤计算公式(1)变换成分步求解公式(2),可将复杂的积分计算简化为单位时间增量内的损伤量计算,并对其求和。

C=∫εf0σTσdεd t d t=∫f0σTσε·d t∑
t
f
σTε·
Δt
σ(2) 8922010年第5期(41)卷＊基金项目:国家自然科学基金资助项目(10872221,10272120)
收到初稿日期:2009-11-12收到修改稿日期:2010-03-08 通讯作者:权国政
作者简介:权国政　(1980-),男,河南南阳人,博士后,副教授,主要从事材料成形工艺及多尺度分析。

式中:ε·
为变形过程中某一时刻某一单元内的等效塑性应变速率;Δt 为有限元计算中的时间增量。

进一步提出损伤敏感率的概念:单位时间增量Δt 内的损伤增量与已存在的累积损伤量之间的比值,如公式(3)所示。

当材料损伤因子C 达到临界损伤因子C max 时产生断裂,之后最大拉应力-应变能不再继续增加,即损伤因子对外部条件不再敏感。

R step =ΔD
D acc
(3)
式中:R step 为损伤敏感率;D acc 为已存在的累积损伤量;ΔD 为单位时间增量内的损伤增量。

3　损伤敏感性计算分析
3.1　AZ80镁合金真应力-真应变关系
试验采用AZ80镁合金的铸造棒材,具体的化学
成分如下:Al :8.90%,Zn :0.53%,M n :0.20%,Si :0.008%,Fe :0.004%,Cu :0.008%,Ni :0.0008%,其余为M g 。

设计物理模拟热压缩的变形温度250、300、
350、400℃,应变速率为0.01、0.1、1、10s -1
,试样的高度压缩率为60%。

由于存在形状效应,试样一般选取高径比<1.5,此时其对单向抗压强度的影响最小。

采用线切割制成直径10mm 、高度12m m 的16个圆柱试样。

将所有的试样进行400℃下保温12h 的组织均匀化处理,之后快速水淬。

为减小摩擦对应力状态的影响,在圆柱试样两端涂覆润滑剂并加垫石墨片。

热物理模拟压缩试验采集到AZ80合金在不同温度和应变速率下的真应力-真应变曲线,如图1所示,将采集到的曲线数据输入到FEM 软件的自定义材料库中,以备后续进一步的数值计算使用。

图1　热物理模拟所得AZ80镁合金不同温度及应变速率下的真应力-真应变曲线
Fig 1T rue stress -strain curves of m ag nesium alloy AZ80by Gleeble 1500at different strain rates and tempera -tures 3.2　数值计算仿真热物理模拟压缩试验
采用DEFORM -3D 塑性有限元模拟分析软件对热物理模拟压缩实验方案进行仿真再现,图2表示了温度250℃、应变速率0.01s -1时镦粗后的损伤值分布,通过观察其它温度及应变速率下的模拟结果发现:最大损伤值总是出现在镦粗鼓的最外缘部位,而最小损伤值总是出现在坯料的中心区域。

在不同温度及应变速率条件下,镦粗鼓最外缘部位损伤值变化规律如图3所示,从中看出:在应变速率为0.01s -1时,随着温度的升高,最大损伤值呈规律性增加;在应变速率为
0.1、1、10s -1
时,最大损伤值随温度的变化规律性很差;在温度为一定时,随着应变速率的增加,最大损伤值呈明显下降,一般称为损伤软化现象。

综上可以看出,损伤软化现象对应变速率较为敏感。

3.3　Cockcroft -Latham 损伤敏感率
选取最大损伤值出现的区域即镦粗鼓最外缘部位作为研究对象,通过减运算求出0.1s 时间增量内的损
伤增量,并与已存在的累积损伤量作比较获得损伤敏
感率,如图4所示。

从图中可以看出,在压缩开始的
0.5s 内损伤敏感率总是快速下降;在0.5～1.5s 内损伤敏感率波动起伏;在1.5s 后损伤敏感率缓慢下降并逐步趋向于0。

图2　高度压缩60%后的损伤分布(250℃,0.01s -1)Fig 2The dam ag e distribution at the last step (heig ht reduction 60%)in 250℃at strain rates 0.01
s
-1
对压缩变形结束时的损伤敏感率曲线局部放大后如图4所示,在应变速率为0.01、0.1、1时,局部曲线
893
权国政等:不同温度及应变速率条件下AZ 80镁合金临界损伤因子研究
并未达到0值;在应变速率为10s -1
时,局部曲线已经
达到0值。

对未达到0值的局部曲线进行拟合收敛到0值的处理,从而判断出损伤敏感率为0的压缩步,并结合数值模拟结果确定该压缩步的累积损伤值,该值即为材料出现裂纹时的临界损伤因子。

根据此方法,可以计算出AZ80镁合金在不同温度及应变速率下的临界损伤因子分布规律,如图5所示。

从中看出,AZ80镁合金的临界损伤因子不是一个常数,而是一个在0.0218～0.378范围内变化的变量;在温度不变时随着应变速率的增加临界损伤因子显著下降;在应变速率不变时随着温度的增加临界损伤因子变化很小。

综上可以确定,临界损伤因子对应变速率更为敏感。

图3　不同温度及应变速率条件下镦粗鼓最外缘部位损伤值变化规律
Fig 3The damage v ariation on the outer edge of upsetting drum under different temperature s and strain
rates
图4　不同温度及应变速率条件下镦粗鼓最外缘部位损伤敏感率变化规律
Fig 4The variatio n of damage sensitive rate o n the outer edge of upsetting drum under diffe rent temperatures
and strain
rates
图5　温度及应变速率对AZ80镁合金临界损伤因子的影响规律
Fig 5The temperature and strain rate effect on criti -cal dam ag e value of AZ80m agnesium alloy
4　结　论
(1)　通过提出一种损伤敏感率的概念,及实验与
数值模拟仿真相互佐证的途径,对应力-应变数据进行局部的线性回归拟合等,建立了在一定程度上取代高速摄像的确定临界损伤因子的方法。

(2)　最大损伤值总是出现在镦粗鼓的最外缘部
位,而最小损伤值总是出现在坯料的中心区域。

在应
变速率为0.01s -1时,随着温度的升高,最大损伤值呈规律性增加,而在其它应变速率下变化规律不明显;在温度为一定时,随着应变速率的增加,最大损伤值呈明显下降。

(3)　计算出AZ80镁合金在不同温度及应变速率下的临界损伤因子分布规律,发现AZ80镁合金的临界损伤因子不是一个常数,而是一个在0.0218～0.378范围内变化的变量,其对应变速率变化较温度变化更为敏感。

参考文献:[1]　Do rum C ,H oppe rstad O S ,Be rstad T .[J ].Engineering
F racture M echanics ,2009.2232-2248.[2]　Q uan
G uo zheng ,T ong Ying ,Chen Bin .[J ].M aterials Sci -ence F or um ,2009,610-613:951-954.[3]　Sow erby R ,Chandrasekaran N .[J ].M aterials Science and
Engineering ,1986,79:27-35.
[4]　Pe reir a I M ,Rubim G ,A cselrad O .[J ].Jour nal of materi -als pro cessing technolog y ,2008,203:13-18.[5]　Dey S ,Bo rvik T ,H opper stad O S .[J ].Computatio nal M a -terials Science ,2006,176-191.[6]　Liang X ue .[J ].I nter national Jo urnal o f Solids and S truc -tures ,2007,44:5163-5181.
(下转第898页)
[6]　Rao C N R,Kulka rni G U,T homas P J,et al.[J].Chem
Soc Rev,2000,29(1):27-35.
[7]　T ang X L,Jiang P,Ge G L,e t al.[J].Langmuir,2008,24:
1763-1768.
[8]　Stephanie V,Isabel P S,Jo rge P J,e t al.[J].L ang muir,
2007,23:4606-4611.
[9]　A h C S,Yun Y J,Pa rk H J,et al.[J].Chem M ater,2005,
17:5558-5561.
[10]　Xio ng Y J,Washio I,Che n J Y,et al.[J].L ang muir,
2006,22:8563-8570.
[11]　Ivan P B,Cristina E H,Yolanda P R,et al.[J].Lang-
muir,2008,24(3):983-990.
[12]　T sunoyama H,Sakurai H,Neg ishi Y,et al.[J].J A m
Chem Soc,2005,127:9374-9375.
[13]　王艳丽,谭德新,徐国财.[J].材料研究学报,2007,21
(3):329-332.
[14]　谭德新,王艳丽,徐国财.[J].无机化学学报,2006,22
(10):1921-1924.
[15]　A bder rafik N,Jean-L uc R.[J].J Phys Chem B,2006,110
(1):383-387.
[16]　T eranishi T,M iy ake M.[J].Chem M ater,1998,10:594-
600.
[17]　K oo C M,Ham M T,Choi M H,et al.[J].P olymer,
2003,44(3):681-689.
[18]　Szar az I,Fo rsling W.[J].Langmuir,2001,17(13):3987-
3996.
[19]　王　飞,黄　涛,刘汉范,等.[J].化学与生物工程,2009,
26(3):19-21.
[20]　江成军,段志伟,张振忠.[J].稀有金属材料与工程,
2007,36(4):724-727.
Growth process and morphology control of palladium nanoparticles
in PVP aqueous solution
WA NG Yan-li1,TAN De-xin2,ZHA NG M ing-x u1,XU Guo-cai2,XU Chu-yang1,LI Ben-xia1
(1.Institute of M aterials Science and Eng ineering,Anhui University
of Science and Technolog y,Huainan232001,China;
2.Institute o f Chemical Eng ineering,Anhui University of Science and Technolog y,Huainan232001,China)
A bstract:Palladium nano particles were prepared by ultrasonic in the palladium(Ⅱ)chlo ride aqueous so lution by the addition of a small quantity of poly(viny lpy rro lidone)(PVP).The g row th process of palladium nanoparticles were studied by transmission electro n microscopy(TEM),ultravio le t-visible(UV-Vis)spectroscopy and X-ray photoelectron spectrum(XPS).The effect of am ount of PV P on the g row th morphology of palladium nanopar ti-cles w as also investiga ted.The m ono dispersed palladium nanopar ticles w ith spherical shape and a unifo rm diame-ter of8nm were o btained w hen the mass ratio of PVP/PdCl2w as10∶1and the reaction tim e w as50min.The stable dispersion o f nanoparticles w as attributed to the coo rdination betw een PVP and palladium,w hich w as ver-ified by the analy sis of XPS and UV-Vis.
Key words:poly(vinylpyrrolidone);palladium nanoparticles;growth process;morphology;ultrasonic
(上接第894页)
A Study on the critical damage factor of AZ80magnesium
alloy under different temperatures and strain rates
Q UAN Guo-zheng1,TONG Ying2,ZHO U Jie1
(1.Co lleg e of M aterial Science and Engineering,Cho ng qing University,Cho ng qing400044,China;
2.Department of Mechatronics Engineering,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing401331,China)
A bstract:The m ain research o bjective is to analyze the influence of defo rmatio n conditions on the critical damage facto r of AZ80magnesium alloy.A basic research approach that physical ex periments and num erical simulatio n pro vide m utual suppo rt for the critical damage facto r w as established.A s seve ral series o f billet samples had been co mpressed o n heat phy sical simulation machine under different deform ation tem peratures and strain rate s, the true stress-strain data co llected resulted the perform ance of simulatio ns.Simulation results show that the maxim um dam ag e value appears on the o uter edg e of upse tting drum,and dam ag e softening behavio r is mo re sensitive to strain rate.A concept of dam ag e sensitive rate w as brought forth and its values w ere com puted.The intersection o f line fitted and ho rizontal axis w as obtained as the fracture step and its relative maximum damage value w as as a critical dam ag e facto r.The critical damage value distribution com puted show s that it is not a con-stant but a change w ith a range0.0218-0.378,and it is mo re sensitive on strain rate than temperature.
Key words:heat physical simulation;critical damage factor;sensitive rate;magnesium alloy。