在力-电-热多场耦合作用下的Aermet100超高强度钢的宏观-微观本构模型

《Materials Today Communications》：A macro-micro constitutive model of Aermet100 ultra-high strength steel under multi-field coupling of force-electricity-heat

脉冲电场辅助成型技术可降低变形抗力并提升难变形材料成型极限，但现有本构模型未整合电参数，导致不同设备实验误差显著。本研究基于脉冲电流参数与位错增殖/湮灭的定量关系，构建了高温电-热-力多场耦合本构模型，通过Aermet100钢的热压缩实验获取双变量真应力-应变曲线，结合遗传算法求解材料常数，验证表明模型预测流变应力与实测值相关系数达0.9539，成功指导了脉冲电场辅助局部冲压成形工艺。

　　电脉冲辅助成形技术作为一种先进的材料加工方法，近年来在金属材料成型领域展现出巨大的应用潜力。该技术通过在成形过程中施加脉冲电流，有效降低了难变形材料的变形抗力，并显著提升了成形极限。然而，目前尚缺乏能够准确反映电脉冲关键参数对材料行为影响的本构模型，这导致了在不同电脉冲设备上进行的成形实验结果存在较大偏差。为解决这一问题，本研究以Aermet100超高强度钢为研究对象，基于电脉冲工艺参数对位错增殖与湮灭的影响，构建了一个高温电塑性本构模型，该模型考虑了热-电-力多场耦合效应，从而实现了对材料在复杂电脉冲条件下的流动应力的精确预测。

Aermet100超高强度钢因其优异的强度-塑性协同效应、出色的断裂韧性以及卓越的耐腐蚀性能，被广泛应用于极端工况下的关键承重部件，例如飞机起落架和火箭壳体等。随着高端装备的不断发展和工作环境的日益严苛，对超高强度钢部件的性能和可成形性提出了更高的要求。然而，Aermet100钢在高温成形过程中面临诸多挑战，如高变形抗力、有限的成形能力以及狭窄的热加工窗口。这些因素使得传统成形工艺难以满足高性能部件的制造需求，特别是在需要局部严重塑性变形（SPD）的工艺中，局部区域的剧烈变形容易引发损伤的产生和裂纹的形成，从而限制了复杂结构件的整体成形制造。

电脉冲辅助成形技术（PECAF）作为一种有效的微观结构控制手段，近年来受到广泛关注。在热-电-力多场耦合作用下，金属材料内部的自由电子与微观结构特征（如溶质原子、位错和晶界）相互作用，从而引发多种电塑性效应，包括电塑性效应、极性效应和裂纹抑制效应等。这些效应不仅能够显著提高材料的成形极限，还能有效降低其变形抗力，为解决传统成形工艺中遇到的难题提供了新的思路。因此，将超高强度钢（UHSS）与严重塑性变形（SPD）工艺相结合，并引入电脉冲辅助成形技术，有望突破当前SPD工艺的技术瓶颈，实现复杂结构件的几何-性能一体化制造。

在本研究中，为了建立适用于不同电脉冲设备的高温电塑性本构模型，研究人员首先对Aermet100钢进行了常规高温压缩实验和电脉冲辅助高温压缩实验。通过这些实验，获得了在不同成形温度和应变速率条件下的真实应力-应变曲线，并据此确定了材料在高温下的本构参数，包括变形激活能等关键常数。为了提高模型的预测精度，研究团队采用遗传算法对模型参数进行了优化，使得模型能够准确描述Aermet100钢在不同电脉冲参数下的流动应力行为。模型预测值与实验测量值之间的相关系数达到了0.9539，表明该模型具有较高的准确性。

为了进一步验证该模型的有效性，研究人员还进行了电脉冲辅助局部镦粗的严重塑性变形实验。这些实验不仅考察了材料在不同电脉冲参数下的变形行为，还结合了有限元模拟和实际加工试验，全面评估了模型在预测材料微观结构演变方面的表现。通过分析实验过程中引入的误差因素，如试样加热和取出过程中的影响，研究人员发现模拟结果能够较好地反映实际部件的微观结构形态。这一结果为电脉冲辅助高温塑性变形过程中材料微观结构和性能的控制提供了坚实的理论和技术基础。

本研究的核心在于建立一个能够反映电脉冲参数对材料微观结构演变影响的高温电塑性本构模型。该模型基于位错密度理论，考虑了电脉冲对位错增殖和湮灭过程的调控作用。在高温成形过程中，材料的流动应力由短程应力和长程应力两部分组成，其中长程应力主要来源于克服晶界和长程位错等微观结构障碍。电脉冲的引入通过改变这些微观结构的动态行为，从而影响材料的流动应力。例如，电脉冲可以促进位错的增殖，同时抑制位错的湮灭，进而改变材料的塑性变形能力。这种位错行为的变化不仅影响了材料的宏观力学性能，还对其微观结构的演变产生了深远的影响。

为了更深入地理解电脉冲对材料变形行为的影响机制，研究团队对Aermet100钢的高温变形行为进行了系统分析。实验结果显示，电脉冲的电流密度、频率和占空比等关键参数对材料的流动应力和变形行为具有显著影响。例如，随着电流密度的增加，材料的流动应力呈现出下降趋势，表明电脉冲能够有效降低变形抗力。同时，不同电流密度条件下，材料的应变硬化行为也发生了变化，显示出电脉冲对材料塑性变形能力的调控作用。此外，实验还发现，电脉冲的频率和占空比对材料的动态再结晶行为具有一定的影响，这为进一步优化电脉冲参数提供了理论依据。

在构建本构模型的过程中，研究团队充分考虑了电脉冲对材料微观结构演变的复杂影响。通过分析电脉冲参数与位错增殖和湮灭之间的定量关系，建立了能够描述材料在不同电脉冲条件下的流动应力行为的模型。该模型不仅能够预测材料在高温成形过程中的流动应力，还能够反映其微观结构的变化趋势。例如，在电脉冲辅助的高温压缩实验中，材料的微观结构呈现出明显的动态再结晶特征，而这些特征在模型中得到了准确的描述。通过将实验数据与模型预测结果进行对比，研究团队验证了模型的有效性，并进一步优化了模型参数，以提高其在不同电脉冲设备上的适用性。

此外，研究团队还通过实验和模拟相结合的方法，对电脉冲辅助局部镦粗的严重塑性变形过程进行了详细分析。实验结果显示，电脉冲能够显著改善材料的成形性能，使其在局部区域的塑性变形能力得到提升。同时，有限元模拟结果表明，电脉冲的引入不仅改变了材料的流动应力分布，还影响了其微观结构的演变路径。这些结果进一步证明了电脉冲辅助成形技术在改善难变形材料成形性能方面的潜力。然而，由于实验过程中存在一定的误差，如试样加热不均匀和取出过程中的热损失，研究团队在模型验证过程中也对这些误差因素进行了系统分析，以确保模型预测结果的可靠性。

本研究的成果不仅为电脉冲辅助高温塑性变形过程中材料微观结构和性能的控制提供了理论支持，还为相关技术的工程应用奠定了基础。通过建立适用于不同电脉冲设备的高温电塑性本构模型，研究团队为解决传统成形工艺中遇到的难题提供了新的解决方案。该模型的建立使得在不同设备条件下进行的成形实验结果能够实现更高程度的一致性，从而提高了材料加工过程的可控性和预测能力。此外，该研究还为未来在复杂结构件制造中引入电脉冲辅助成形技术提供了重要的参考依据。

在实际应用中，电脉冲辅助成形技术可以广泛应用于航空航天、汽车制造和高端装备制造等领域。特别是在需要制造复杂形状和高性能部件的场景中，该技术能够有效克服传统成形工艺的局限性，提高材料的成形能力和加工效率。然而，为了充分发挥该技术的优势，还需要进一步研究其在不同材料和工艺条件下的适用性，并优化相关参数以实现最佳的成形效果。本研究通过构建一个适用于不同电脉冲设备的高温电塑性本构模型，为这些研究提供了重要的理论和技术基础。

本研究的另一个重要贡献在于揭示了电脉冲对材料微观结构演变的调控机制。通过分析电脉冲参数对位错增殖和湮灭的影响，研究团队发现电脉冲能够显著改变材料的变形行为，从而影响其微观结构的演变路径。例如，在高温压缩实验中，电脉冲的引入不仅降低了材料的变形抗力，还促进了动态再结晶的形成，使得材料的微观结构更加均匀。这种微观结构的优化不仅提高了材料的力学性能，还增强了其在复杂工况下的服役能力。因此，理解电脉冲对材料微观结构演变的影响机制，对于实现材料性能的精确控制具有重要意义。

此外，本研究还探讨了电脉冲辅助成形技术在实际工程中的应用前景。通过结合实验验证和有限元模拟，研究团队发现该技术在提升材料成形极限和改善微观结构方面具有显著优势。然而，为了进一步推广该技术，还需要解决一些实际问题，如电脉冲设备的优化设计、电脉冲参数的精确控制以及材料加工过程中的热管理等。这些问题的解决将有助于提高电脉冲辅助成形技术的适用性和加工效率，从而推动其在更多领域的应用。

综上所述，本研究通过构建一个适用于不同电脉冲设备的高温电塑性本构模型，为解决难变形材料在高温成形过程中的技术难题提供了新的思路。该模型不仅能够准确预测材料在不同电脉冲参数下的流动应力行为，还能够反映其微观结构的演变趋势，从而为材料加工工艺的优化提供了重要的理论支持。同时，该研究还揭示了电脉冲对材料微观结构演变的调控机制，为实现材料性能的精确控制奠定了基础。未来，随着相关技术的不断发展和完善，电脉冲辅助成形技术有望在更多高性能材料的加工中发挥重要作用，为高端装备制造业的发展提供新的动力。