典型金属塑性流动中反常应力峰及其本构关系

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：典型金属塑性流动中反常应力峰及其本构关系作者王建军学科专业固体力学指导教师郭伟国2017年5月AnomalousstresspeakintheplasticflowoftypicalmetalsanditsconstitutivemodelByJianjunWangUndertheSupervisionofProfessorWeiguoGuoADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentof

2、therequirementForthedegreeofDoctorofSolidMechanicsXi’anP.R.ChinaMay2017摘要摘要随着金属材料的发展以及对晶体位错理论的不断认识，传统的金属材料力学性能随温度升高出现的热软化及其相关的位错的热激活理论并不能完全反映金属材料力学行为随温度的变化。通常认为金属材料的流动应力随着温度的升高而降低，但是，在金属材料的实际应用中或对金属材料力学行为进行试验测试时会发现，在某一温度范围内，其流动应力随温度变化曲线上会出现一反常应力峰。反常应力峰的出现使得传统的对于金属力学性能对温度的敏感性

3、的认识及其相关的机理不再适用，并且常见的金属本构关系并不能描述包含该反常应力峰的金属塑性流动行为。研究金属塑性流动行为中出现的反常应力峰的宏观特征及其本构关系可为金属材料在高温环境下的应用提供更为可靠的试验及理论依据。为研究金属塑性流动行为中常见的两种反常应力峰现象及其本构关系，本文首先利用静力试验机、带有高温同步组装系统的分离式Hopkinson压杆以及本文所建立的可实现温度达1200℃下动态拉伸试验的分离式Hopkinson拉杆，对出现明显第三型应变时效现象的Q235B钢以及出现反常应力峰现象的的两种镍基单晶高温合金（DD407和DD6）在

4、不同温度（Q235B:93K-1173K；DD407:293K-1273K；DD6:293K-1473K）、不同应变率（Q235B:0.001/s-7000/s；DD407:0.001/s-4000/s；DD6:0.001/s-3000/s）下的塑性流动行为进行了试验测试，分析了三种材料的塑性流动行为的温度敏感性和应变率敏感性，尤其是其流动应力随温度变化曲线上出现的反常应力峰的宏观特性以及反常应力峰随应变率的变化，并分别对两种反常应力峰出现的机理进行了系统的阐述。最后，建立了三种材料在很宽温度、很宽应变率范围内的本构关系，本构关系包含了金属塑性

5、流动行为中出现的两种反常应力峰以及应变率对反常应力峰的影响。本文的具体研究内容如下：（1）为了实现对材料在超高温下的动态拉伸性能的试验测试，建立了一种可实现温度达1200℃下分离式Hopkinson拉杆试验的试验方法。常规的分离式Hopkinson拉杆由于其试样和弹性杆的连接形式，并不能实现试样的快速组装，为此，设计了一种快速钩挂连接形式，并利用双驱动同步组装系统实现在应力波到达试样前的瞬间先后推动试样及透射杆到预定位置，将试样与弹性杆快速组装。利用该改进的分离式Hopkinson拉杆可有效地实现温度达1200℃下的材料动态拉伸性能测试；（2）

6、分析不同应变率下Q235B钢的流动应力随温度变化曲线可以发现，在不同应变率下，Q235B的流动应力随温度变化曲线上均出现了由第三型应变时效引起的反常应力峰，且随着应变率的增大，反常应力峰出现的温度范围移向了更高的温度区域。分析第三型应变时效以及PLC（Portevin-LeChatelier）现象出现的温度区域发现，PLC现象I西北工业大学博士学位论文的出现伴随着第三型应变时效现象，并且PLC现象通常出现在反常应力峰的上升段温度区域内，PLC现象消失时的温度与峰值应力出现时的温度对应。伴随着第三型应变时效引起的应力峰，在应变硬化指数随温度变化曲

7、线上同样出现了反常峰；（3）基于运动位错与扩散溶质原子的相互作用，揭示了第三型应变时效现象出现的机理。通过对比PLC效应、第三型应变时效、蓝脆现象和金属内耗的机理以及宏观特征发现，PLC效应、第三型应变时效和蓝脆现象都是由运动位错与扩散的溶质原子的相互作用引起的，是动态应变时效的三种表现形式，而从金属内耗角度来分析，第三型应变时效是机械波谱的另一种表现形式；（4）基于NN-G(Nemat-Nasser-Guo)模型，通过增加描述第三型应变时效现象的第三型应变时效部分，建立了可以描述第三型应变时效现象以及应变率对第三型应变时效影响的金属塑性本构模

8、型，所建立的本构模型可以很好的预测出现明显第三型应变时效现象的金属塑性流动行为；（5）分析两种镍基单晶高温合金不同应变率下的流动应力随温度变化曲线发现