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【新刊速覽】?李詩謙：修正的J-C和Z-A模型對LZ50鋼高溫流變應(yīng)力預(yù)測

時間：2023-05-18 來源： 瀏覽：

【新刊速覽】?李詩謙：修正的J-C和Z-A模型對LZ50鋼高溫流變應(yīng)力預(yù)測

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修正的J-C和Z-A模型對LZ50鋼高溫流變應(yīng)力預(yù)測
李詩謙，何濤，杜向陽，霍元明，賈東昇，李漢林
(上海工程技術(shù)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

01

摘 要  

楔橫軋技術(shù)在成形軸類零件時具有廣闊的應(yīng)用前景，為實現(xiàn)高鐵車軸材料LZ50鋼楔橫軋成形，需構(gòu)建能準確描述LZ50鋼高溫流變行為的本構(gòu)模型。修正的Johnson-Cook和Zerilli-Armstrong模型對金屬流變應(yīng)力的預(yù)測較為精確，可建立LZ50鋼關(guān)于這2種模型的流變應(yīng)力本構(gòu)方程，同時為精確分析LZ50鋼在大型軸類件楔橫軋成形過程中的變形行為，需進一步分析2種模型在不同溫度的平均相對誤差EAR、相關(guān)系數(shù)R以及均方差RMSE，從而判斷模型的適用性，為楔橫軋在線生產(chǎn)提供理論依據(jù)。通過Gleeble-3800熱模擬試驗機在不同壓縮溫度(900、1 000、1 100 ℃)、不同應(yīng)變速率(0.1、1、10 s -1 )條件下對LZ50鋼進行熱壓縮試驗;以1 000 ℃和0.1 s -1 作為參考溫度和參考應(yīng)變速率，并通過修正的Johnson-Cook和Zerilli-Armstrong模型構(gòu)建了2種高溫流變應(yīng)力本構(gòu)方程，對比在0.3~0.8應(yīng)變范圍內(nèi)2種模型預(yù)測流動應(yīng)力與實測流動應(yīng)力的平均相對誤差EAR、相關(guān)系數(shù)R以及均方差RMSE。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，修正的Johnson-Cook和Zerilli-Armstrong模型平均相對誤差EAR分別為3.8％和6.9％，相關(guān)系數(shù)R分別為0.986和0.974，均方差RMSE分別為4.979 8 MPa和8.050 1 MPa；進一步對比2種模型在不同溫度條件的平均相對誤差EAR、相關(guān)系數(shù)R以及均方差RMSE，發(fā)現(xiàn)Johnson-Cook模型在預(yù)測900 ℃和1 000 ℃的流變應(yīng)力時具有更好的預(yù)測精度，而在預(yù)測1 100 ℃的流變應(yīng)力時Zerilli-Armstrong模型預(yù)測精度更高。

02

關(guān) 鍵 詞  

LZ50鋼； 流變應(yīng)力； 本構(gòu)模型； 熱壓縮試驗； 均方差

03

引 言 

隨著中國高速鐵路的快速發(fā)展，對火車軸的質(zhì)量提出了更高的要求，LZ50鋼屬于中碳高強度碳素鋼，擁有良好的綜合力學(xué)性能，因此可以應(yīng)用于中國高鐵車軸的制造。楔橫軋技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點，在成形軸類零件方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，材料在熱成形過程中受到復(fù)雜的應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的影響，因此，選取合適的數(shù)學(xué)模型描述LZ50鋼的高溫變形行為，這對制造高質(zhì)量高鐵車軸具有重大的理論和指導(dǎo)意義。
目前已有許多學(xué)者提出多種本構(gòu)模型來描述材料的流變行為。唯象學(xué)模型、物理基模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是現(xiàn)有學(xué)者根據(jù)不同建模思路提出的方法。唯象型模型表達公式更容易理解，建模過程不需要考慮熱變形過程的物理意義，因而在各種熱變形行為研究中更為普遍。其中較為常用的有Johnson-Cook模型(簡稱J-C模型)和Zerilli-Armstrong模型(簡稱Z-A模型)等。J-C模型可以預(yù)測合金簡單倍增形式的熱變形行為，但在J-C模型中，沒有考慮應(yīng)變、溫度和應(yīng)變速率的耦合效應(yīng)，也忽略了應(yīng)變軟化效應(yīng)，因此，原始J-C模型的預(yù)測精度受到了限制。然而，近些年已有研究人員對J-C模型進行了改進，以提高預(yù)測精度。NIU Li-qun等為了提高J-C模型對A356合金的可預(yù)測性，提出了一種考慮軟化機制的修正J-C模型。Shokry A等總結(jié)了不同動態(tài)加載條件下4種類別合金的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，提出了一種改進的通用J-C模型,改進的J-C模型可以準確預(yù)測不同變形條件下各類金屬的流變應(yīng)力。Z-A模型主要是針對變形過程中晶格結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)建出相應(yīng)的表達式。Samantaray D等考慮了熱軟化、應(yīng)變狀態(tài)硬化和各向同性硬化的影響，提出了一種修正的Z-A模型，能準確預(yù)測9Cr-1Mo鋼的變形行為。Ravindranadh B等利用改進Z-A模型預(yù)測Ti-22Al-25Nb合金的流變應(yīng)力行為，發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)變速率和高溫度下具有更好的可預(yù)測性。而改進的2種模型在預(yù)測不同材料的準確度方面各有差異。Ahmadi H采用改進的J-C模型和改進的Z-A模型分別預(yù)測了5CT-L80鋼的變形行為，發(fā)現(xiàn)改進的J-C模型具有更好的預(yù)測性。HE An等評估了修正的J-C模型和Z-A模型，發(fā)現(xiàn)Z-A模型雖然對預(yù)測20CrMo合金鋼流動應(yīng)力精度更高，但該模型的計算難度也更大。因此，為精確分析LZ50鋼大型軸類件楔橫軋成形過程中的變形行為，需開展高溫流變行為的本構(gòu)模型研究，為LZ50鋼的楔橫軋在線生產(chǎn)控制提供理論依據(jù)。
當前已有研究人員對LZ50鋼的流變行為進行了研究，本文以LZ50鋼為研究對象，在不同溫度和應(yīng)變速率條件下進行熱壓縮試驗，并在此基礎(chǔ)上建立J-C本構(gòu)模型和Z-A本構(gòu)模型，具體通過相關(guān)系數(shù)R、平均絕對相對誤差EAR以及均方差RMSE(root mean squared error)比較了2種模型對LZ50鋼流變應(yīng)力的預(yù)測效果，并討論了2種模型在不同變形條件下的適用性，為LZ50車軸鋼的高溫軋制成形仿真提供了準確的預(yù)測模型。

04

精 選 圖 表  

    

05

結(jié)  論 

(1)通過熱壓縮試驗構(gòu)建了LZ50鋼修正的Johnson-Cook與Zerilli-Armstrong流變應(yīng)力本構(gòu)模型，計算得到2種模型平均相對誤差EAR分別為3.8％和6.9％，相關(guān)系數(shù)R分別為0.986和0.974，均方差RMSE分別為4.979 8 MPa和8.050 1 MPa。
(2)相比Zerilli-Armstrong模型，Johnson-Cook模型在900 ℃和1 000 ℃時平均相對誤差EAR和均方差RMSE更低，相關(guān)系數(shù)R更高，這表明Johnson-Cook模型在900 ℃和1 000 ℃時具有更好的預(yù)測精度；而在1 100 ℃時Zerilli-Armstrong模型平均相對誤差EAR和均方差RMSE比Johnson-Cook模型更低，相關(guān)系數(shù)R更高，這表明1 100 ℃時Zerilli-Armstrong模型預(yù)測精度更高。

來源：《鋼鐵》2023年第4期

END

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