超塑性大延伸率变形力学机制的理论和试验研究

超塑性大延伸率变形绝大部分都集中在似稳定变形阶段，其中颈缩游动发挥着关键作用，目前对颈缩游动的基本规律和力学机制的认识还很不成熟。本项目针对大延伸率超塑性材料的颈缩游动行为进行理论和试验研究。理论研究基于以前的研究成果，首先假设超塑性拉伸颈缩游动行为源于应变硬化/软化、应变速率敏感和应力松弛的综合效应，据此结合材料参数的试验测量建立超塑本构模型；试验研究以拉伸试样的非接触视频测量为主，确定颈缩游动的具体形式，并归纳其基本规律；基于本构模型，结合试验归纳的基本规律，分析颈缩游动行为的力学机制，针对不同加载方式下具体变形路径给出定量解析结果和数值模拟结果；将理论结果和试验结果进行综合分析与比较，通过考察本构模型有效性验证理论假设，并最终确定颈缩游动的基本规律和力学机制，系统研究材料参数和外部条件对极限延伸率的影响规律，以期为解释产生超塑性大延伸率现象的外部条件和内在机制提供理论依据。

材料的超塑性是以其显著的断裂延伸率为主要特征，而超塑性大延伸率与其力学稳定性密切相关，并最终决定于其特殊的断裂机制。揭示超塑性大延伸率现象本质的首要任务是从超塑性拉伸宏观力学规律出发，采用精确的本构方程，深入定量地研究其力学稳定变形机制。本项目首先针对大延伸率传统超塑合金Zn-5%Al和Al-Zn-Mg-Zr，分别进行恒应变速率、恒速度和定载荷路径下的超塑性拉伸试验以及对应不同应变值的应力松弛试验，获得相应的试验数据，并观察了拉伸后试样的颈缩分布形态。在理论研究方面，通过力学分析指出传统超塑性本构方程的局限性，并首次提出了两种针对大延伸率超塑性材料的变参数本构方程：1）变参数唯像本构方程，由唯像学基本理论推导，基于材料参数m和n值的精确测量，具有明确的力学涵义，在局部应变速率和应变范围具有较高预测精度，适用于实际超塑性成形工艺分析；2）变参数Rossard本构方程，基于试验数据的曲面拟合，蕴含了应变和应变速率对应力耦合作用。经验证，两种变参数本构方程均具有优于传统超塑本构方程的预测精度，特别适用于大延伸率超塑性材料成形工艺的精确模拟。以往针对拉伸颈缩产生的预测都是定性的，本项目首次建立了超塑性材料乃至率敏感材料拉伸颈缩产生的定量预测方法，基于材料参数的精确测量以及相应的变参数本构方程，导出反映材料力学性能的失稳极限应变与应变速率的关系及相应曲线，此关系表明率敏感性拉伸颈缩的产生仅与应变和应变速率的最终状态量有关，而与变形路径、变形条件和变形历史无关，这对于实际生产中缩短成形时间和获取最大成形性具有参考价值。另外，给出了具体变形路径下拉伸试验颈缩产生的预测公式及相应结果。大延伸率超塑性材料在颈缩产生后通过颈缩游动继续似稳定拉伸变形，此前国内外还未有颈缩游动机制的报道。本项目首次发现了拉伸变形的最小抗力原则，即在拉伸过程中自由边界条件下非稳定变形所遵循的力学机制。基于此原则，通过分析阐明了颈缩游动是应变硬化、应变速率敏感性和应力松弛效应三者相互制衡的结果，其中应力松弛效应发挥很大的作用，材料的应力松弛能力随着应变的增加而不断耗竭，并最终导致断裂，给出了材料参数（m、n和τ值）和加载条件对极限延伸率的影响规律。本项目成功地解释了大延伸率超塑性现象的力学本质，丰富了超塑性力学理论体系，其结论也适用于率敏感性材料的成形，并对高温板冲压的成形极限和断裂的预测研究具有借鉴意义。

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