金属切削变形常用本构模型研究进展_赵娜

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式中， σ 为材料的屈服极限， ε 为材料的等效塑性应 * 0 为参考应 /ε 0 为无量纲的塑性应变率， =ε ε 变， ε n 为应变硬化指数， C 为应变率敏感系数， m 变率， * Tr 是 为温度软化指数。 T = （ T － T r ） / （ T m － T r ） ， T m 为材料的熔点温度。 公式的三项分别 参考温度， 反映了流动应力与应变、 对数应变速率、 温度指数之 A、 B、 C、 m、 n 是所要求的材料常数。 间的关系， JC 本构模型形式简单， 系数少、 适用性强， 在 金属切削加工领域应用比较广泛。 在试验方法方 ［4 ］ 面， 陈刚等 运用静态试验机（ 试验温度为常温 750℃ ） 和 SHPB 装置（ 常温下进行 ） ， 拟合得到了 45 ［5 ］ C 本构模型参量。李春雷 利用常温准静态 钢的 J试验和 SHPB 装置（ 试验温度为 21 － 400℃ ） 对 2A12 铝合金进行了压缩试验， 分析了 2A12 铝合金的应 C材 变率强化效应和温度软化效应， 最后得出了 J料强度模型的参数。 严宏志等
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理论分析确定模型各项系数， 由此建立 20CrMo 材 C 本构模型。 料的 JC 本构 介绍了 J模型参数的常规确定方法以及考虑绝热温升时的 m B、 n 值的确定方法， 然后用参数识别方法对参数 A、 和 C 进行识别， 并增加强度修正系数， 提出了一种 确定修 正 系 数 的 方 法， 并 验 证 了 其 可 靠 性。 Shrot ［8 ］ LevenbergMarquardt 等 在 算法基础上建立了逆向 C 本构参数的方法， 并建立了理想化的高速 识别 JC 参数来 切削加工有限元模型， 利用一组特定的 J应用回归 描述材料的行为。鲁世红、 常列珍等 BP 神经网络、 算法、 参数识别法以及最小二乘法等 方法建立了不同材料在较宽温度和较高应变率范围 C 本构关系模型。 内的 JＲule 等 提出了一种修正的 在系数修正方面， JC 本构模型。该模型充分考虑了瞬态高强度的情 况， 能适应较高的应变率， 并介绍了经济地估计修正 ［14 ］ 模型系数的方法。 Hou 等 提出了以现象和经验 C 本构模型的 为基础的新的本构模型来改变原有 J温度范围， 该模型可用于描述或预测变形在很宽的 温度范围内的金属应力—应变关系 （ 最低温度可达 － 100℃ ） 。Karpat［15］ 提出新的基于温 度 流 动 软 化 行为的流动软化表达式， 并将该表达式融入了材料 C 本构模型进行修正， 本构模型， 对 J研究了低于临 界温度的流动软化的影响。 Sima 等 考虑流动软 化现象、 应变硬化和热软化效应及其相互作用耦合 ， C 本构模型。 修正了 TC4 的 J3． 2 ZerilliArmstron 本构模型 ZerilliArmstron 模型 （ 简称 ZA 模型 ） 是由 Zerilli 和 Armstrong 在 1987 年基于热激活位错运动理 论建立的本构模型。 该模型综合考虑了应变率、 应 变和温度效应等存在的耦合作用 。由于面心金属材 料（ FCC ） 和体心金属材料（ BCC ） 具有不同的热激活 ZA 模型又分为 ZAFCC 模型和 ZABCC 模 机理， Zerilli 和 Armstrong［17］ 在 1995 年 型。为便于应用， A 模型， 这是 将以上两种模型表达成统一形式的 Z第一个具有物理理论基础、 在热激活位错运动的理 论框架下提出而非通过试验曲线拟合的本构模型 。 当应变率达到 10 / s 以上时， 经验型本构模型 的流动应力预测误差较大， 因而其对金属材料变形 行为的描述不再准确。高应变率下材料的力学响应 行为与其微结构特征及组织演化形式关系密切 ， 此 时需要从微观力学入手， 基于塑性变形的物理基础 A 模型就是一种 来建立更准确的宏观本构关系。 Z4 ［16 ］ ［13 ］ ［9 － 12 ］
DOI:10.16567/ki.1000-7008.2016.01.016
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引言
入手， 建立耦合的本构模型； 另一类是通过宏观的应 力—应变关系， 结合内部状态参数， 对试验数据进行 回归分析， 从而得到材料的本构关系。 本文在文献 综述的基础上， 介绍几种金属材料切削加工及仿真 分析中常用的本构模型。
图2
霍普金森压杆结构示意图
通过准静态压缩 Welsh 切削 力学试验和正交切削试验并运用 Oxley-
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5 典型的宏观本构模型， 应用也较广泛。 在试验及算 ［18 ］ Majzoobi 等 结合试验、 法方面， 数值和优化技术 A 本构模型的常数， 来确定 Z采用有限元方法进行 模拟， 并用遗传算法进行优化。试验结果表明， 该方 法可代替使用昂贵的仪表在高温高应变条件下测得 ［8 ］ 的应力—应变曲线。 鲁世红 采用自适应遗传算 A 本构模型的六个材 法优化求解 H13 淬硬钢的 Z［19 ］ 料参数， 经验uardt 算法拟合出 TC4 钛合金的修正 ZA 本构模型， 并将拟合结果与试验结果进行对比 ， 结 果显示两者间的平均相对误差较小。 杨勇等 基 流动应力公式计算的联 于有限元模拟和“单因素 ” 合建 模 策 略， 获 取 能 反 映 航 空 铝 合 金 板 材 7050T7451 力学性能的高温、 高应变、 高应变率数据和流 A 模型进行基于 动应力数据。 根据以上数据对 ZA 模型 阻尼最小二乘法的非线性回归分析， 得到 Z中的具体参数值， 并验证了该本构模型的正确性。 ［21 ］ 在模型修正方面， 张宏建等 通过引入考虑应 变率和温度耦合效应的应变强化指数对 IC10 合金 A 本构模型进行修正， 的 Z拓宽了其适用范围， 修 正后的模型预测精度有所提高。 Samantaray 等
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金属切削变形常用本构模型研究进展
刘二亮， 张慧萍， 李振， 王腾达 赵娜，
哈尔滨理工大学
应力、 应 摘要： 金属切削变形过程具有高温 、 高应变率和较大变形的特点 。材料的本构关系是用来描述温度 、 变等与时间的关系， 因此， 确定切削区工件材料的本构关系是研究金属材料切削变形及其有限元仿真的关键 。 本 文给出了金属切削本构模型的几种试验方法 ， 介绍了金属切削仿真中常用的本构模型 ， 总结了金属切削领域中本 构模型研究存在的不足及未来发展趋势 。 关键词： 金属切削； 切削变形； 本构模型 中图分类号： TG501． 4 ； TH161 ； TB125 文献标志码： A
［1 ］ 构建本构关系的方法可分为两类 ： 一类是以 变形机理为基础， 从位错密度、 晶粒尺寸等微观结构
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金属切削变形本构关系试验方法
金属切削过程包含力—热耦合作用， 切削过程 中变形较大， 并且刀—屑间的摩擦会产生大量的切 削热。 金属材料切削过程中的应力 珚 σ 与应变 珔 ε、 应 各因素之间的本构关 变率 ε 和温度 T 等因素有关， T ） 通常由试验方法求得。 目前， ε， ε， 应用 系珚 σ = f（ 珔 在金属切削过程的本构关系的试验方法主要有切削 试验法、 冲击试验法等。 2． 1 切削试验法 对于金属材料切削来说， 切削试验法是能使试 验中的应变、 应变率、 温度等最大限度地反映切削加 工实际的方法， 因此， 国内外学者用切削试验结合切 削力、 切削热测试方法来获取切削材料在切削过程 中的温度、 应力、 应变和应变率。该方法一般利用正 （ OxleyWels 切削模型， 交切削模型 如 见图 1 ） 将大 量切削试验中获取的切削力和切屑几何参数等换算
Ｒecent Advances of Constitutive Model Used in Metal Cutting
Zhao Na ，Liu Erliang，Zhang Huiping，Li Zhen，Wang Tengda
Abstract ： There have the characteristics of high temperature，high strain rate and large deformation in the metal cutting． Material constitutive relation is used to describe the relationship of temperature，stress，strain and time． Therefore， how to determine the material constitutive relationship of the workpiece in cutting zone is the key to study the metal cutting deformation and its simulation． Based on the literature review in this paper，firstly，this study gives several test methods of metal cutting constitutive model． Then，it focuses on the common constitutive model which is used in metal cutting simulation． Finally，it summarizes the deficiencies and future trends of the research for the constitutive model in the field of metal cutting process． Keywords： metal cutting； cutting deformation； constitutive model
金属切削加工是机械制造业中最基本的加工方 法之一。金属切削过程的本质是工件材料在一定外 力条件作用下， 产生弹—塑性变形然后切屑—工件 分离的过程。有限元仿真是研究金属切削变形机理 的有效方法， 切削仿真的准确性在很大程度上依赖 于能否真实反映金属切削变形的力学行为和变形过 程中的动态响应。材料变形过程中的动态响应一般 用材料本构模型来描述。 因此， 研究金属材料的本 构模型对金属材料切削变形及仿真有重要意义 。 材料的本构关系是用来描述材料状态变量 （ 如 温度、 应 力、 应 变 ） 与 时 间 之 间 的 关 系， 主要是应 力—应变间的关系。本构关系在材料加工及成形模 拟中起着重要的作用。 对于不同材料， 其本构模型 可能相差很大， 即使是同种材料， 也可因不同目的而 建立不同形式的本构关系， 因此需要根据材料及应 用的场合选择合适的本构模型。