一种考虑应变率影响的大应变挤出切削带材织构预测方法技术

一种考虑应变率影响的大应变挤出切削带材织构预测方法，基于J

【技术实现步骤摘要】
一种考虑应变率影响的大应变挤出切削带材织构预测方法


[0001]本专利技术属于工程材料成形
，具体涉及一种考虑应变率影响的大应变挤出切削带材织构预测方法。

技术介绍

[0002]如图9所示，大应变挤出切削是在工件材料1自由切削基础上形成的一种带材加工方法，通过在切屑自由表面施加一固定刀具2，同时实现切削和挤出的作用。与板材挤压过程相似，挤出切削过程中会产生更大的剪应变和超高应变率，使得制备出的带材晶粒细化至亚微米/纳米级，并伴随一定类型的晶体织构形成。通过控制固定刀具与切削刀具的相对位置，以及切削加工参数，获得不同规格类型的带材，可用来制造微机电系统的执行器件和结构器件等。
[0003]挤出切削过程中带材织构类型与材料变形规律之间相互影响。带材晶体织构的存在使得材料力学性能、电学性能和磁学性能等呈现各向异性，因此，准确预测带材织构类型对定向控制带材的使用性能至关重要。目前针对挤出切削过程中材料织构演变预测主要采用粘塑性自洽模型(VPSC)，通过获取的沿带材挤出方向(图9中的路径3)材料宏观变形规律(速度梯度)，基于粘塑性自洽模型中的Voce硬化方程来判断加工材料滑移系启动类型，根据单晶体本构方程来进一步更新多晶体材料应力和应变率，最后输出得到各晶粒取向变化。
[0004]通常建立挤出切削有限元模型仿真获取带材挤出过程中的宏观变形规律，Johnson
‑
Cook(J
‑
C)本构方程适用于描述塑性材料在高应变率下的变形行为，因此，仿真模型中采用J
‑/>C本构方程定义挤出带材的材料属性。然而，粘塑性自洽模型中由单个晶粒变形计算更新材料(多晶体)应力和应变率变化时，应变率敏感指数通常按照材料晶体结构选择，并未考虑材料在挤出切削过程中的宏观变形特点(高应变率)，使得通过粘塑性自洽模型模拟的材料应力
‑
应变变化与通过J
‑
C本构方程获取的材料应力
‑
应变变化有明显差异，进而导致预测的带材晶体织构演变规律不准确。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种考虑应变率影响的大应变挤出切削带材织构预测方法，该方法能够准确预测挤出带材晶体织构的变化规律。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种考虑应变率影响的大应变挤出切削带材织构预测方法，包括以下步骤：
[0007](1)基于J
‑
C本构方程确定材料挤出切削过程中宏观应变率敏感性评定因子以J
‑
C本构方程定义挤出切削过程中的材料变形，所述JC本构方程如下式Ⅰ所示，
[0008][0009]其中，A、B、C、n、m分别表示材料的初始屈服强度(MPa)、应变硬化模量(MPa)、应变率硬化系数、应变硬化指数和温度软化系数；σ、ε、T分别表示挤出切削过程中材料等效应力(MPa)、等效应变、等效应变率(s
‑1)和温度(℃)；T
m
和T
r
分别表示材料熔点(℃)和环境温度(℃)，表示参考等效应变率，取值为0.0001s
‑1；
[0010]当式Ⅰ中等效应变ε和温度T恒定时，则材料在任意等效应变率下的应力与参考应变率下的应力比值定义为宏观应变率敏感性评定因子如下式Ⅱ所示，
[0011][0012](2)基于材料J
‑
C本构方程以及速度梯度张量L的计算公式，使用Fortran语言编写挤出切削过程中材料Vumat子程序，速度梯度张量L的计算公式如式Ⅲ所示，
[0013]L
n+1
＝(F
n+1
F
n
‑1‑
I)
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式Ⅲ；
[0014]其中，L
n+1
为材料t+Δt时刻的速度梯度张量，F
n+1
和F
n
分别表示材料在t时刻和t+Δt时刻的变形梯度张量，在Vumat子程序参数声明部分，F
n+1
和F
n
分别通过字符defgradNew和defgradOld给出，Δt为时间增量，通过字符dt给出，I为3
×
3阶单位张量；速度梯度张量L存储在Vumat子程序自定义的状态变量中；
[0015](3)根据步骤(2)中编写的Vumat子程序以及挤出切削几何模型、边界条件、刀
‑
屑接触属性、载荷情况和切屑分离准则，建立挤出切削2D有限元仿真模型，获得挤出切削模型中材料任意一点的速度梯度、时间增量和温度变化，并作为粘塑性自洽模型的输入参数；
[0016](4)基于粘塑性自洽模型中单晶体塑性本构方程，确定多晶体材料应变率敏感性评定因子单晶体塑性本构方程如下式I
Ⅴ
所示，
[0017][0018]其中，和σ
kl
分别为单晶体应变率(s
‑1)和应力(MPa)，τ
s
为滑移系/孪生系临界应力(MPa)，m
ij
表示滑移系/孪生系有关对称的施密特因子，γ
s
为滑移系/孪生系剪切应变率(s
‑1)，S为滑移系最大数量，为滑移系/孪生系参考剪切应变率(s
‑1)，m
kl
表示滑移系/孪生系有关非对称的施密特因子，n
s
为滑移系/孪生系应变率敏感指数；
[0019]当每个滑移系/孪生系的应变率敏感指数n
s
相同且均等于n，则多晶体应变率和应力关系可简化为下式
Ⅴ
，
[0020][0021]其中，表示粘塑性自洽模型中多晶体材料在等效应变率下的流动应力(MPa)，表示粘塑性自洽模型中多晶体材料在参考等效应变率下的流动应力(MPa)；则粘塑性自洽模型中多晶体材料应变率敏感性评定因子表示为下式
Ⅵ
，
[0022][0023](5)根据步骤(1)和步骤(4)中确定的应变率敏感性评定因子和修正确定多晶体本构中应变率敏感指数n：当JC本构方程准确模拟材料在挤出切削过程中的变形时，由材料J
‑
C本构方程确定在不同应变率下的变化曲线，修正确定多晶体本构中应变率敏感指数n，使多晶体应变率敏感性评定因子变化曲线与接近重合；
[0024]进一步的，步骤(5)中，通过Matlab编程，绘制在给定应变率硬化系数C，不同应变率下(0.0001
‑
10000s
‑1)的变化曲线，在相同应变率范围内，绘制在不同n值下的变化曲线，选取曲线与接近重合时的n值，即为确定的多晶体本构中应变率敏感指数。
[0025](6)根据步骤(3)获取的挤出切削过程中材料速度梯度、时间增量以及温度变化，输入到粘塑性自洽模型中，材料的初始晶粒取向数据通过EBSD实验获取，并根据步骤(5)确定的应变率敏感指数n，完成挤出切削过程中带材织构预测。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑应变率影响的大应变挤出切削带材织构预测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基于J
‑
C本构方程确定材料挤出切削过程中宏观应变率敏感性评定因子以J
‑
C本构方程定义挤出切削过程中的材料变形，所述JC本构方程如下式Ⅰ所示，其中，A、B、C、n、m分别表示材料的初始屈服强度(MPa)、应变硬化模量(MPa)、应变率硬化系数、应变硬化指数和温度软化系数；σ、ε、T分别表示挤出切削过程中材料等效应力(MPa)、等效应变、等效应变率(s
‑1)和温度(℃)；T
m
和T
r
分别表示材料熔点(℃)和环境温度(℃)，表示参考等效应变率，取值为0.0001s
‑1；当式Ⅰ中等效应变ε和温度T恒定时，则材料在任意等效应变率下的应力与参考应变率下的应力比值定义为宏观应变率敏感性评定因子如下式Ⅱ所示，(2)基于材料J
‑
C本构方程以及速度梯度张量L的计算公式，使用Fortran语言编写挤出切削过程中材料Vumat子程序，速度梯度张量L的计算公式如式Ⅲ所示，L
n+1
＝(F
n+1
F
n
‑1‑
I)/
△
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式Ⅲ；其中，L
n+1
为材料t+Δt时刻的速度梯度张量，F
n+1
和F
n
分别表示材料在t时刻和t+Δt时刻的变形梯度张量，在Vumat子程序参数声明部分，F
n+1
和F
n
分别通过字符defgradNew和defgradOld给出，Δt为时间增量，通过字符dt给出，I为3
×
3阶单位张量；速度梯度张量L存储在Vumat子程序自定义的状态变量中；(3)根据步骤(2)中编写的Vumat子程序以及挤出切削几何模型、边界条件、刀
‑
屑接触属性、载荷情况和切屑分离准则，建立挤出切削2D有限元仿真模型，获得挤出切削模型中材料任意一点的速度梯度、时间增量和温度变化，并作为粘塑性自洽模型的输入参数；(4)基于粘塑性自洽模型中单晶体塑性本构方程，确定多晶体材料应变率敏感性评定因子单晶体塑性本构方程如下式IV所示，其中，和σ
kl
分别为单晶体应变率(s
‑1)和应力(MPa)，τ
s
为滑移系/孪生系临界应力(MPa)，m
ij
表示滑移系/孪生系有关对称的施密特因子，γ
s
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王情情，刘战强，程延海，牛超阳，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：