摇臂用35MnB钢高温变形行为及本构方程   顺德云梯车出租, 顺德云梯车, 云梯车出租  基于经济节约的原则，大型液压云梯车摇臂锻造成形试制之前，拟采用DEFORM-3D软件对其锻造成形工艺进行模拟仿真分析。运用DEFORM-3D软件对摇臂进行锻造成形模拟仿真分析过程中，需要用到摇臂材料35MnB钢的性能参数，然而在DEFORM-3D软件材料库中没有35MnB钢材料模型，因此需要建立该材料模型。由于缺少35MnB钢在高温下的应力应变数据，本文进行了高温单向热压缩试验，研究了35MnB钢的高温变形行为，并构建了35MnB钢高温下的本构方程。

   试验材料与方法,  试验所用材料为某厂生产的35MnB轧制态钢材，试验所用装置为Gleeble-1500D热模拟试验机。试样尺寸为Φ8mm×12mm的圆柱标准试样。试样加热规范：首先，将试样温度以10℃／s的加热速度升至1250℃并保温3min，以保证各个试样处于同一初始变形状态，随后，以5℃／s的速度将试样降温到各变形温度并保温10s，以使变形前试样温度分布均匀。变形温度/℃：790、840、890、940、990、1040、1090、1140、1190。应变速率/s-1：0.01、0.1、1、10。总压缩变形量（真实应变）：0.6。试验时，为了使试样在压缩变形过程中能够均匀产生，避免试样出现鼓形与滚动，压缩变形前在试验机与试样圆柱体之间加垫石墨片来减小摩擦力。试样压缩变形结束后，立即淬水冷却。

   试验结果及分析,  35MnB钢热压缩真应力-应变曲线根据35MnB钢高温单向热压缩试验数据可以绘制出35MnB钢在各个变形条件下的真应力-应变曲线。35MnB钢在高温下的变形过程大致可以分为两个阶段。第一个阶段：在35MnB钢变形初期，随着材料应变量的增加应力快速升高，并达到峰值，这是因为随着变形的继续进行，金属材料内部的位错密度急剧增大，位错运动速度加快，从而生成大量的位错缠结、钉扎等阻碍，使位错无法越过这些阻碍继续前行而被限制在一定范围内形成加工硬化。第二个阶段：材料应力达到峰值之后，随着变形的继续进行，真应力-应变曲线呈现出下降的趋势，最后趋于平稳状态。这是由于材料在塑性变形过程中，其内部组织与性能随着变形量的增加发生了变化，从而引起位错密度增大，金属材料内部畸变能增大，使其处于热力学不稳定的高自由能状态，变形过程中发生了动态再结晶或动态回复使材料出现了软化现象。35MnB钢在热压缩变形过程中，流变应力峰值随着变形温度的升高而减小，随着应变速率的增大而增大。相同应变速率下，随着变形温度的升高应力-应变曲线整体下移，说明此时金属材料的变形抗力减小，且更容易发生动态再结晶。这是由于金属材料的塑性变形是一个热激活过程，变形温度越高，金属原子动能也就越大，可以为动态再结晶或动态回复过程提供更大的热激活条件，金属变形抗力也越小。通过刃型位错的攀移、螺旋位错的交滑移、位错结点的脱钉，使材料出现动态回复现象，剩余的自由能在继续进行的变形过程中会发生动态再结晶。相同变形温度下，应变速率越大，应力峰值越高，相应的应变量也越大；应变速率越大，相应的变形时间也就越短，位错运动和大角度晶界迁移的时间明显减少，不利于动态回复和动态再结晶的进行。

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   35MnB钢的本构方程,  金属材料的高温变形过程由加工硬化和动态再结晶共同作用，具有高度的非线性，近几年许多研究人员采用Arrheniusequation模型来构建金属材料的本构方程，并验证了由Arrheniusequation模型中双曲正弦方程拟合的金属材料变形本构关系具有较高的可信度[。因此，采用含有变形温度（T）和变形激活能（Q）的Arrheniusequation双曲正弦模型，构建35MnB钢在高温下流变应力与应变速率和变形温度的本构方程。expRQAFTεɺ=σ−(3-1)式中，F(σ)是应力的函数，F(σ)的表达式根据应力水平的高低分别有以下三种形式：1(0.8)nFσ=σασ<(3-2)F(σ)=exp(βσ)(ασ>1.2)(3-3)[sinh](forallstress)nFσ=ασ(3-4)式中，A、α、β均为与热变形条件无关的材料常数；n、n1为应力指数，且α=β/n1；σ是不同应变水平下对应的流变应力/MPa，可以是应力峰值，也可以是稳态流变应力；εɺ为应变速率；Q为金属形变热激活能/J﹒mol-1；R为摩尔气体常数，R=8.31J﹒(mol﹒K)-1。在高应力水平和低应力水平下，将式(3-2)、(3-3)分别代入式(3-1)可得：11exp(0.8)RnQATεɺ=σ−ασ<(3-5)2expexp(1.2)RQATεɺ=βσ−ασ>(3-6)22分别对式(3-5)、(3-6)两边取对数可得：11lnlnln(0.8)RQAnTεɺ=+σ−ασ<(3-7)2lnln(1.2)RQATεɺ=+βσ−ασ>(3-8)由式(3-7)、(3-8)可知1n和β分别为曲线lnεɺ−lnσ和lnεɺ−σ的斜率。将试验所得不同变形条件下的应力峰值代入式(3-7)、(3-8)，可绘得lnεɺ−lnσ和lnεɺ−σ的曲线。显然，lnεɺ−lnσ和lnεɺ−σ均呈现直线关系。采用最小二乘法线性回归分别求得直线的斜率并分别求其平均值，可得：1n=7.268、β=0.058；由α=β/1n可求出α=0.008。

    在所有应力水平下，将式(3-4)代入式(3-1)可得：[sinh]expRnQATεɺ=ασ−(3-9)对式(3-9)两边取对数可得：lnlnlnsinhRQAnTεɺ=+ασ−(3-10)分别在恒定变形温度(T)和恒定变形速率(εɺ)的条件下，式（3-10）对1T求偏导：T恒定时对1T求偏导：3.54.04.55.05.56.06.5-4-2021190℃1140℃1090℃1040℃990℃940℃890℃840℃790℃lnεlnσ50100150200250300-5.0-2.50.02.51190℃1140℃1090℃1040℃990℃940℃890℃840℃790℃lnεσ/MPa23lnln[sinh]1(1)nTT∂ε∂ασ=∂∂ɺ(3-11)εɺ恒定时对1T求偏导：ln[sinh]1QnRT∂ασ=∂(3-12)将式(3-11)、(3-12)合并整理可得：ln[sinh]lnR(1)ln[sinh]TQTεασεασ∂∂=∂∂ɺɺ(3-13)Q=Rsn(3-14)式中，n、s分别为曲线lnεɺ−ln[sinh(ασ)]和lnsinh1Tασ−的斜率，采用最小二乘法线性回归分别求出直线的斜率并分别求其平均值，可以得出n=5.543、s=7701.451。从而求出Q=354805.5J﹒mol-1。(a)lnεɺ−ln[sinh(ασ)](b)lnsinh1Tασ−，andεɺ，Tof35MnBsteel采用应变速率因子Zener‐Hollomon参数Z来描述变形速率和变形温度对变形的影响：exp[sinh]QnZART=εɺ=ασ(3-15)将式(3-9)代入式(3-11)并对两边求数：-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0-5.0-2.50.02.51190℃1140℃1090℃1040℃990℃940℃890℃840℃790℃ln[sinh(ασ)]lnε-101210s-11s-10.1s-10.01s-1lnsin(ασ)T-1/10-3K-10.650.700.750.800.850.900.9524lnlnln[sinh]=ln+QZAnRT=+ασεɺ，lnA为曲线lnZ−lnsinh(ασ)的截距，根据真应力‐真应变曲线，取不同变形条件下所对应的应力峰值，并依据式(3-15)可绘制出lnZ−lnsinh(ασ)曲线，通过线性回归得出lnA=32.973，从而可求得A=2.1×1014。将上述所求得的A、α、n、Q代入式(3-9)则可求出35MnB钢在高温下流变应力与应变速率和变形温度的本构方程：145.543[sinh]ex354805.52.1100.p008RTεɺσ−×=26

   使用Gleeble-1500D热模拟试验机，对摇臂锻造所用材料35MnB钢进行了高温单向等温热压缩试验，并基于高温热压缩试验研究了35MnB钢在790~1190℃、0.01~10s-1条件下的高温变形行为，构建了35MnB钢在高温下的本构方程，为摇臂进行后续锻造成形分析提供数据和模型支撑。1.35MnB钢热压缩变形时，流变应力随着温度的升高而减小，随着应变速率的增大而增大。此外，同一应变速率下，随着变形温度的升高，应力-应变曲线整体下移；同一变形温度下，应变速率越大，应力峰值越高，相应的应变量也越大。2.采用Arrheniusequation的双曲正弦模型来构建35MnB钢在高温下的变形过程中金属坯料流动的本构方程，计算得出了35MnB钢在高温下流变应力与-1.5-1.0-0.50.00.51.01.525303540r=0.991lnZln[sinh(ασ)]25应变速率和变形温度的本构方程：145.543[sinh]ex354805.52.1100.p008RTεɺσ−×=26.

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