1、第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023基于 DMNR 模型的 AlCoCrFeNi0.6高熵合金本构方程刘太盈1,韩莹莹2,王 磊3(1.北京星航机电装备有限公司,北京 100074;2.北京动力机械研究所,北京 100072;3.浙江省杭州市正才控股集团有限公司,浙江 杭州 310000)摘要:采用 Gleeble-3500 热压缩模拟机对 AlCoCrFeNi0.6高熵合金进行了热压缩试验,试验温度为 1223、1273、1323 和 1373 K,应变速率为 0.001、0.01、0.1
2、和 1 s-1,探究了 AlCoCrFeNi0.6高熵合金在高温热压缩时,应力 与应变、温度 T 和应变速率之间的关系,并建立了基于二次非线性回归(DMNR)模型的本构方程。研究发现:在同一应变速率下,随着温度的升高,流动应力呈现下降趋势,在同一温度条件下,随着应变速率的升高,流动应力呈升高趋势,AlCoCrFeNi0.6高熵合金具有明显的应变速率强化和高温软化现象。基于 DMNR 模型回归建立了 AlCoCrFeNi0.6高熵合金的高温本构方程,通过对比分析发现所建立的模型具有较好的预测性能,平均相对误差为 9.94%。关键词:高熵合金;流变特征;本构方程;DMNR 模型;流动应力DOI:1
3、0.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.035中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0258-07Constitutive equation on AlCoCrFeNi0.6 high entropy alloy based on double multiple nonlinear regression modelLiu Taiying1,Han Yingying2,Wang Lei3(1.Beijing Xinghang Electro-mechnical Equipment Co.,Ltd.,Beijing 10
4、0074,China;2.Beijing Power Machinery Research Institute,Beijing 100072,China;3.Zhejiang Hangzhou Zhengcai Holding Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China)Abstract:The hot compression test of AlCoCrFeNi0.6 high entropy alloy was carried out by hot compression machinery Gleeble-3500 at test temperatures
5、of 1223,1273,1323 and 1373 K and strain rates of 0.001,0.01,0.1 and 1 s-1,and the relationship between flow stress and strain,temperature T and strain rate was explored.Then,the constitutive equation based on the double multipe nonlinear regression(DMNR)model was established.The results show that un
6、der the same strain rate,with the increasing of temperature,the flow stress shows a downward trend,and under the same temperature condition,the flow stress shows an increases trend with the increasing of strain rate.Therefore,AlCoCrFeNi0.6 high entropy alloy has obvious strain rate strengthening and
7、 high temperature softening phenomenon.Based on double multiple nonlinear regression(DMNR)model,the high-temperature constitutive equation of AlCoCrFeNi0.6 high entropy alloy is es-tablished.Through comparative analysis,it is found that the established model has good prediction performance,and the a
8、verage relative er-ror is 9.94%.Key words:high entropy alloy;rheological characteristics;constitutive equation;DMNR model;flow stress收稿日期:2022-08-04;修订日期:2022-11-19基金项目:国防科技 173 计划技术领域基金(2021-JCJQ-JJ-0197)作者简介:刘太盈(1987-),男,硕士,工程师E-mail:ltaiyinglove 高熵合金是近年来金属材料研究的热点之一,它由 5 种或者 5 种以上主要元素组成,每种主元的摩尔含量在
9、 5%35%之间1-2。传统合金设计理论认为,合金中加入元素种类过多容易导致合金产生金属间化合物等脆性相或复杂相,从而降低材料的塑性和韧性。但是,高熵合金由于具有较高的混合熵,各种元素之间具有较大的相容性,可避免因相分离而生成端际固溶体或形成金属间化合物,促进了简单相的形成3-4。因此,高熵合金的相结构简单,一 般 表 现 为 面 心 立 方(FCC)、体 心 立 方(BCC)或者 FCC+BCC 的双相结构5-6,具有高强度和良好塑韧性的组合,以及耐高温、耐腐蚀和高的抗氧化性等优良性能。高熵合金拥有这些优异的性能主要是基于高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应7-8。本构模型是材料
10、高温变形的数学表达,它描述了应力与变形参数(变形温度、应变速率和应变等)之间的关系。对于材料高温本构模型的描述可以分为两类:一类是基于高温应力-应变曲线、采用回归方法建立的模型,称为唯象型本构模型;另一类是基于材料高温变形机理建立的变形本构模型,称为机理型本构模型。唯象型本构模型主要有 John-son-Cook 模型9、Khan-Huang-Liang 模型10和 Ar-rhenius-type 模型11-12等;机理型本构模型主要有Zerilli-Armstrong 模型13-14、动态再结晶模型15等。近年来,不少学者也开展了针对高熵合金材料的高温变形研究16-20,宋繁策等16采用 A
11、rrhenius 本构模型建立了 AlFeCoNiMo0.2高熵合金的本构方程,并建立了该材料的热加工图,为该合金热挤压工艺的制定及优化提供了有效依据。针对 FeCoCrNiC0.05高熵合金,彭需发等18研究了该合金在高温条件下的变形行为,分析了热变形参数对合金流动应力和显微组织的影响规律,建立了该合金在不同变形条件下的动态软化机制。Eleti R R 等19结合 Z 参数和Arrhenius 模型建立了 CoCrFeMnNi 高熵合金的高温变形本构模型,并基于 EBSD 对材料的动态再结晶行为进行了分析,发现动态再结晶晶粒沿初始晶界成核,形成项链状结构。Ahmed M Z 等20对 Al-
12、CoCrFeNi2.1共晶高熵合金的高温变形行为进行了研究,基于应力-应变曲线获得材料的激活能、应力指数和 Z 参数,进一步建立材料本构模型。Al-CoCrFeNi 系高熵合金具有高强度、高硬度,同时具有良好的塑韧性,更具发展潜力21。本文以 AlCoCrFeNi0.6高熵合金为研究对象,在温度为12231373 K 和应变速率为 0.0011 s-1下进行热压缩试验,讨论了不同条件下的流变应力特征,并且构建了基于二次非线性回归的材料高温本构方程。1 试验与材料试验材料为 AlCoCrFeNi0.6高熵合金,以纯度大于 99.9%的铝、钴、铬、铁和镍金属单质为原料,使用真空电弧炉在高纯度氩气保
13、护下熔炼,熔炼前先去除原料表面氧化皮,再用丙酮清洗、干燥。反复熔炼多次以确保成分的均匀性,其成分(%,质量分数)为 Al12.1-Co22.0-Cr21.4-Fe22.2-Ni22.3,其原始铸态金相组织如图 1 所示。由图 1 可知,铸态下由大量平行的柱状树枝晶构成,并且为典型的树枝晶结构,一次枝晶比较发达,二次枝晶相对较小,二次枝晶臂长约为 35 m、臂宽约为 10 m。白色部分为 FCC 结构(枝晶),黑色部分为 BCC 结图 1 AlCoCrFeNi0.6高熵合金铸态金相组织图Fig.1 As-cast metallographic structure diagram of AlCoC
14、rFeNi0.6 high entropy alloy构(枝晶间),其中 FCC 相占 61.5%,BCC 相占38.5%。原始组织的平均晶粒尺寸为 32.4 m。为了研究合金的热变形行为,利用线切割从铸锭上切割若干个 8 mm12 mm 的圆柱形试样。在Gleeble-3500 热模拟试验机上进行试样热模拟压缩,试验前在试样两端垫上石墨片并涂抹润滑剂,以减少试样与压头间的摩擦。试验温度分别为 1223、1273、1323 和 1373 K,应变速率分别为 0.001、0.01、0.1 和 1 s-1。首先以 10 s-1的速度从室温加热至试验温度,保温 3 min,使得样品内部温度均匀,再以
15、一定的应变速率对试样进行压缩,变形量为 60%。试验完成后迅速水淬,保留热变形组织。最终系统中得到相应的时间、载荷、位移、温度、真应力和真应变等试验数据。将压缩后的试样从中间切开,截面垂直于压缩方向,经过打磨、抛光后使用王水(盐酸 硝酸=3 1)腐蚀,然后在金相显微镜下观察显微组织。2 结果与讨论2.1 流动应力曲线图 2 为不同温度和应变速率组合下的 AlCoCrFe-Ni0.6高熵合金的真应力-真应变曲线。从图 2 可以发现:在相同温度条件下,随着应变速率的升高,流动应力逐渐增大,表现出明显的应变速率强化效应;在同一应变速率条件下,伴随着温度的升高,流动应力逐渐降低,有明显的高温软化现象。
16、此外,不同变形条件下的真应力-真应变曲线均表现为先上升,到达峰值应力后逐渐下降,表现出明显的动态软化现象,可以推测,在累积一定的变形能量后,在受载材料中发生了不同程度的动态再结晶效应,952第 6 期刘太盈等:基于 DMNR 模型的 AlCoCrFeNi0.6高熵合金本构方程 图 2 AlCoCrFeNi0.6高熵合金的高温流动应力曲线(a)1223 K(b)1273 K(c)1323 K(d)1373 KFig.2 Isothermal flow stress curves of AlCoCrFeNi0.6 high entropy alloy致使材料的软化程度大于加工硬化,所以,表现出到达峰值应力后,流动应力曲线随着应变的增加不断降低。图 3a 为不同测试条件下的峰值应力 peak图 3 不同曲线的统计结果(a)峰值应力与最后时刻应力统计图(b)应力降幅图Fig.3 Statistical results of different curves(a)Statistical diagram of peak stress and last moment stress(b)Stress