Ti-6Al-4V合金热胀形多尺度预测框架：集成实验、建模与仿真的变形损伤机理研究

本文开发了一种集成实验、理论与数值模拟的多尺度框架，用于预测Ti-6Al-4V合金在热气压胀形过程中的变形与损伤。研究通过无摩擦热胀形实验、建立考虑微观结构演化的物理本构模型（耦合动态再结晶（DRX）、位错密度演化及损伤机制），并开发有限元（FE）模拟子程序（VUMAT），实现了对材料宏观流动、微观组织及成形极限（FLC）的精准预测，为航空航天领域复杂薄壁构件的高性能制造提供了重要指导。

　　

Section snippets

Test material and specimen preparation

采用厚度为1 mm的Ti-6Al-4V板材进行单轴拉伸试验和热胀形试验，其主要化学成分见表1。拉伸试样依据ASTM-E21–20标准设计，呈狗骨状，平行区长度为34 mm，宽度为10 mm，标距为28 mm，如图2(a)所示。热胀形坯料为圆形，直径为180 mm，如图2(b)所示。为计算胀形后的应变，在坯料表面激光雕刻了同心圆网格。

Equivalent stress and strain calculation

为实现Ti-6Al-4V板材顶点在热胀形试验过程中保持恒定应变率，首先需对胀形过程进行等效应力分析。该分析将揭示气体加压速率与胀形过程中应变率之间的关系，并为建立Ti-6Al-4V平面应力状态本构模型提供初始的等效应力-应变数据。图5(a)展示了胀形过程的几何示意图，这是一个充满科学趣味的力学问题。

Material model

本研究建立了一种新的本构模型，用于表征Ti-6Al-4V合金的粘塑性流动，该模型基于其α相和β相对材料粘塑性流动表现出不同影响的特点：

ε?^p_α = ( σ/(1-ω_D) - R_α - k_α / K_α )^n₁ (d?)^-u

ε?^p_β = ( σ/(1-ω_D) - R_β - k_β / K_β(1-G_α) )^n₂

ε?^p = ε?^p_α (1-f_β) + ε?^p_β f_β

其中，ε?^p_α 和 ε?^p_β 分别是α相和β相对应的塑性应变率，ε?^p 是总塑性应变率。σ是流动应力，R_α 和 R_β 是...

Validation of the pressure loading model for constant strain rate during bulging

热胀形试验后，通过追踪板材上激光雕刻圆的移动来量化胀形试样顶点的塑性变形。测量沿b和a方向的胀形圆长度，分别记为图5中的r₁和r₂。然后使用公式(7)、(8)、(9)计算胀形圆顶顶点的等效应变。图10显示，在各种条件下胀形的试样测得的应变（以符号表示）与...

Industrial application

在本研究中，通过采用控制恒定应变率的加压模型进行胀形试验，并利用新颖的、基于物理的本构模型进行数值模拟，系统地研究了Ti-6Al-4V合金在胀形过程中的变形行为。研究结果确定了确保最大均匀应变的胀形最佳工艺窗口，如图17所示。

为验证该模型的实际适用性，一个工业案例...

Conclusions

本研究开发了一种新颖的多尺度预测框架，用于复杂大尺寸管状构件热气压成形，该框架集成了实验、建模和数值模拟。在实验方面，在不同温度、应变率和变形比下对Ti-6Al-4V合金进行了热气压胀形试验。基于初步的单轴拉伸和胀形试验结果，以及胀形后的微观结构检查，建立了一个基于物理的平面应力...