飛機(jī)高強(qiáng)鋼拼焊板高溫拉伸試驗(yàn)及高溫本構(gòu)模型研究

收稿日期：20240611

基金項(xiàng)目：2023年度陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目“航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層氣膜孔光整”（編號(hào)：23JP076）。

作者簡(jiǎn)介：趙凱，講師，主要從事航空裝備方面的研究。

摘 要：為深入了解B340LA低碳合金鋼、B1500HS冷軋鋼以及B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板等飛機(jī)制造常用鋼材的熱變形特性，提升相關(guān)企業(yè)對(duì)于高強(qiáng)度鋼的加工能力，對(duì)各種高強(qiáng)度鋼板料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，進(jìn)而獲得板料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，采用經(jīng)過改進(jìn)的Johnson-Cook模型對(duì)板料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，取得了較為理想的擬合效果，決定系數(shù)R²接近于 代表該模型的擬合結(jié)果具有良好的可信度。最后基于所得到的擬合結(jié)果建立了B340LA低碳合金鋼、B1500HS冷軋鋼以及B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板三種高強(qiáng)度鋼板料的本構(gòu)模型。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度鋼；拉伸試驗(yàn)；擬合關(guān)系；本構(gòu)模型

中圖分類號(hào)：V252

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

High-temperature tensile test and high-temperature constitutive

model of aircraft high-strength steel tailored blank

ZHAO Kai

（Xian Aeronautical Polytechnic Institute， Xian 710089， Shaanxi， China）

Abstract： In order to understand the thermal deformation characteristics of B340LA low-carbon alloy steel， B1500HS cold-rolled steel and B340LA/B1500HS high-strength steel tailored blank and other commonly used steels in aircraft manufacturing， and improve the processing capacity of related enterprises for high-strength steel. The tensile test of various high-strength steel sheets was carried out to obtain the stress-strain relationship data of the sheets. On this basis， the improved Johnson-Cook model is used to fit the stress-strain relationship data of the sheet， and an ideal fitting effect is obtained， and the coefficient of determination R² is close to"" which means that the fitting results of the model have good reliability. Finally， based on the fitting results， the constitutive models of three high-strength steel sheets， namely B340LA low-carbon alloy steel， B1500HS cold-rolled steel and B340LA/B1500HS high-strength steel tailored blank， were established.

Key words： high strength rigidity； tensile test； fitting relationship； constitutive model

0 引 言

B340LA、 B1500HS等高強(qiáng)鋼是提升飛機(jī)構(gòu)件輕量化水平的重要材料，而在沖壓成型過程中，沖壓速度、模具尺寸、加熱溫度等因素均會(huì)對(duì)板料的變形行為產(chǎn)生一定的影響，深入研究板料的高溫變形行為是合理應(yīng)用高強(qiáng)鋼材料的一項(xiàng)重要工作。孟憲明等^［1］采用液壓伺服高速拉伸試驗(yàn)方法對(duì)B340LA低合金高強(qiáng)鋼材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)B340LA低合金高強(qiáng)鋼在室溫高速拉伸條件下，隨著應(yīng)變率的增加，材料的屈服強(qiáng)度、流變應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度增大；肖康等^［2］利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)等測(cè)試手段對(duì)不等厚B340LA/B1500HS異種高強(qiáng)鋼薄板激光焊焊接接頭進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)B1500HS側(cè)熱影響區(qū)經(jīng)過低溫回火處理后，消除了粗大組織，成分更加均勻，接頭韌性顯著提升。為進(jìn)一步了解B340LA和B1500HS兩種材料的焊接性能，本次研究以B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板為研究對(duì)象，通過高強(qiáng)鋼板材的應(yīng)力應(yīng)變曲線來建立高溫本構(gòu)模型，進(jìn)一步明確該材料的力學(xué)特征。

1 B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板的試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 高強(qiáng)鋼板材的等溫拉伸試驗(yàn)

研究將B340LA低碳合金鋼和B1500HS冷軋鋼進(jìn)行激光焊接處理，進(jìn)而得到B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板。兩種母材的規(guī)格均為200mm×80mm×1.2mm，主要化學(xué)成分如表1和表2所示。

研究通過RFH1000型光纖激光焊接機(jī)（武漢瑞豐光電技術(shù)）對(duì)兩種母材進(jìn)行焊接處理，激光功率為2.3kW，保護(hù)氣體流量為15L/min，焊接速度為33mm/s，離焦量為0，光斑直徑為0.6mm。

1.2 拉伸試驗(yàn)試件的制備

研究基于GB/T 4338—2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩種母材和拼焊板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，母材試件和拼焊板試件尺寸如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

研究通過WDW50M型萬能高溫試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南中路昌試驗(yàn)機(jī)制造）測(cè)試板材的拉伸性能，首先以10℃/s的速度將試件加熱至目標(biāo)溫度，保溫5min后以特定的應(yīng)變速率對(duì)試件實(shí)施拉伸操作，具體流程如圖2所示。在該過程中，通過試驗(yàn)機(jī)輸出板料的載荷、位移等數(shù)據(jù)。

2 B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板的試驗(yàn)結(jié)果與分析

B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。根據(jù)圖3可知，各試件斷裂處均出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，試件的頸縮集中度與試驗(yàn)溫度成正比。除此之外，試件在斷裂前的伸長(zhǎng)量也與試驗(yàn)溫度成正比，即在環(huán)境溫度逐漸提升的過程中，B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板焊縫的熱成型性能也隨之提升。

B340LA低碳合金鋼、B1500HS冷軋鋼和B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板在各種不同條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4～6所示，三種板料在應(yīng)變速率、試驗(yàn)溫度相同的情況下，應(yīng)力值在快速增加后逐漸趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，在初始受力的情況下，板料的塑性變形主要來自加工硬化現(xiàn)象。而在應(yīng)力值達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，板料的塑性變形主要來自內(nèi)部的再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)^［35］，降低了應(yīng)力值的增加速度。

三種板料在應(yīng)變速率不同、試驗(yàn)溫度相同的情況下，同一應(yīng)變值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而增加。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，在應(yīng)變速率逐漸增加的情況下，板料內(nèi)部的晶粒在變形過程中沒有足夠的時(shí)間消除位錯(cuò)，而攀移現(xiàn)象和位錯(cuò)反應(yīng)導(dǎo)致板料的軟化速率下降，提升了板料的硬度，表現(xiàn)為應(yīng)力值提升^［68］。與此同時(shí)，板料的峰值應(yīng)力同樣與應(yīng)變速率成正比。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，在應(yīng)變速率逐漸增加的情況下，晶粒變形時(shí)間縮短，短時(shí)間內(nèi)晶粒內(nèi)部交滑移與位錯(cuò)來不及消除，進(jìn)而增加了晶粒的臨界剪應(yīng)變^［911］，表現(xiàn)為應(yīng)力值提升。

三種板料在試驗(yàn)溫度不同、應(yīng)變速率相同的情況下，同一應(yīng)變值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增加而下降。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，在試驗(yàn)溫度逐漸增加的情況下，板料晶界處原子的擴(kuò)散和晶界遷移能力隨之增加，晶粒流動(dòng)性提升，表現(xiàn)為應(yīng)力值下降。

三種板料在試驗(yàn)溫度相同、應(yīng)變速率相同的情況下，B340LA低碳合金鋼的峰值應(yīng)變最大，峰值應(yīng)力最??；B1500HS冷軋鋼的峰值應(yīng)變最小，峰值應(yīng)力最大。由此可知，在板料強(qiáng)度由小到大依次為：B340LA低碳合金鋼、B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板、B1500HS冷軋鋼，塑性排序則相反。

3 建立本構(gòu)模型

研究通過Johnson-Cook本構(gòu)模型對(duì)B340LA低碳合金鋼、B1500HS冷軋鋼和B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板的熱變形特征加以描述，該模型具體形式如下：

σ=（A+Bεⁿ）（1+Clnε·^*）（1-DT^*m） （1）

式中， A 代表材料在常溫下的初始屈服強(qiáng)度； B 代表加工硬化系數(shù)； C 代表應(yīng)變速率敏感系數(shù)； D 代表溫度敏感指數(shù)； m 代表溫度軟化指數(shù)； n 代表硬化指數(shù)。以上參數(shù)均可通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析擬合確定。 σ 代表流動(dòng)應(yīng)力； ε 代表等效塑性應(yīng)變； ε·^*=ε·/ε·^* 0 代表無量綱化的等效塑性應(yīng)變率參數(shù)，其中， ε· 代表應(yīng)變速率， ε·^* 0 代表準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變速率； T^*=（T-T 0）/（T m-T 0） 代表無量綱化的溫度參數(shù)，其中， T 0 代表參考溫度， T m 代表金屬材料的融化溫度^［1214］。

由于該模型未考慮溫度、應(yīng)變速率與應(yīng)變之間的耦合效應(yīng)，因此研究對(duì)原始Johnson-Cook模型加以調(diào)整，調(diào)整后的模型僅用于描述塑性段的變形，該模型具體形式如下：

σ=f 1（ε·， T）ε^{f 2}（ε·， T） （2）

式中， f 1（ε·， T） 和 f 2（ε·， T） 是與溫度和應(yīng)變速率相關(guān)的函數(shù)，也可以通過多次試驗(yàn)將其確定為材料常數(shù)^［15］。

在此基礎(chǔ)上，對(duì) f 1（ε·， T） 和 f 2（ε·， T） 進(jìn)行求解，首先對(duì)式（2）兩端取自然對(duì)數(shù)，則有：

lnσ=f 1（ε·， T）+f 2（ε·， T）lnε （3）

以B1500HS冷軋鋼為例，將該板料在試驗(yàn)溫度為600℃、應(yīng)變速率為0.001s^-1條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)代入公式（3），進(jìn)而得到 lnσ 和 lnε 之間的擬合關(guān)系，具體結(jié)果如圖7所示。在此基礎(chǔ)上，研究采用決定系數(shù) R² 來判定擬合效果，具體方式如下：

R²=1-∑ⁿ i=1（y i-y）²∑ⁿ i=1（y i-y-）² （4）

式中， y i 代表實(shí)驗(yàn)值； y 代表擬合值， y- 代表實(shí)驗(yàn)值的平均值。

采用同樣的方法對(duì)各板料在各項(xiàng)條件下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，擬合結(jié)果的斜率和截距分別為 f 2（ε·， T） 和 f 1（ε·， T）。 同樣以B1500HS冷軋鋼為例，所得到的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

在得到 f 1（ε·， T） 和 f 2（ε·， T） 值后，通過如下公式對(duì) f 1（ε·， T） 和 f 2（ε·， T） 加以描述。

f 1（ε·， T）=a+bx+cy+dx²+ey²+fyx

+gx³+hy³+iy²x+jyx² （5）

f 2（ε·， T）=a+bx+cy+dx²+ey²+fyx

+gx³+hy³+iy²x+jyx² （6）

式中， x 代表無量綱應(yīng)變率，表示為 lnε·/ε·^* 0； y 代表無量綱溫度，表示為 T/T 0， 其中 a 為常數(shù)項(xiàng)， ε·=0.01s^- "T 0=600℃， b～j 均為函數(shù)系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，并通過Origin軟件對(duì) f 1（ε·， T） 和 f 2（ε·， T） 進(jìn)行曲面擬合處理，所得到的擬合結(jié)果如圖8所示，該環(huán)節(jié)所得到的擬合結(jié)果體現(xiàn)出了良好的相關(guān)性， R² 值接近于1。

各板料在 f 1（ε·， T） 和 f 2（ε·， T） 表達(dá)式下的決定系數(shù) R² 與函數(shù)系數(shù)擬合結(jié)果如表5所示。

將 f 1（ε·， T） 和 f 2（ε·， T） 的顯式函數(shù)代入至公式（2）中即為各板料的本構(gòu)模型，B1500HS冷軋鋼的本構(gòu)模型如下：

σ=（9977.58-693.94x-21689.33y-45.69x²

+16500.3y²-1376.04yx+4.57x³

+4314.03y³-605.2y²x+12.29yx²）·

ε^{7.59+0.09x-18.67y-0.01x2}-0.01y²+15.9yx-0.07x³-0.01y³-4.54y²x-0.04yx²

B340LA低碳合金鋼的本構(gòu)模型如下：

σ=（1020.85+3.35x-1528.25y-0.03x²

+1051.28y²+17.27yx+0.57x³

-289.70y³-0.22y²x-2.76yx²）·

ε^{0.52+0.08x-1.29y+0.01x2}+1.35y²-0.17yx+0.000072x³-0.41y³+0.079y²x-0.0054yx²

B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板的本構(gòu)模型如下：

σ=（5780.08-161.12x-13297.67y-8.46x²

+10824.97y²+330.94yx+1.79x³

-3018.68y³-134.21x-3.092yx²）·

ε^{9.41-0.16x-24.23y-0.0098x2}+20.85y²+0.31yx+0.0013x³-5.87y³-0.14y²x+0.0014yx²

4 結(jié) 語

本文介紹了B340LA低碳合金鋼、B1500HS冷軋鋼以及B340LA/B1500HS高強(qiáng)鋼拼焊板三種板料的本構(gòu)模型構(gòu)建策略。具體闡述了板料拉伸試驗(yàn)的操作方法與試驗(yàn)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，研究基于試驗(yàn)結(jié)果所提供的數(shù)據(jù)和經(jīng)過改性的Johnson-Cook本構(gòu)模型來描述各板料的熱變形特征，并通過曲線擬合的方式獲取本構(gòu)模型的材料常數(shù)與相關(guān)系數(shù)，最終形成高強(qiáng)度鋼的塑性段變形本構(gòu)模型。在建模過程中，各個(gè)擬合環(huán)節(jié)的決定系數(shù) R² 均接近于 所得到的本構(gòu)模型具有較高的可信度，對(duì)于高強(qiáng)度鋼在飛機(jī)構(gòu)件的生產(chǎn)加工中具有一定的指導(dǎo)意義。

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