【摘要】 通过有限元法(FEM)模拟设计大块金属加工工艺和固态连接操作通常需要大应变、高应变率和高温下的材料数据。

通过有限元法(FEM)模拟设计大块金属加工工艺和固态连接操作通常需要大应变、高应变率和高温下的材料数据。这些数据包括流变应力行为、失效应变和微观结构演变的定量描述。为了满足这些需求，热扭转试验是最有用的可加工性方法之一，因为在单轴拉伸试验或单轴压缩试验中，大变形可以很容易地施加，而不会产生扩散或局部颈缩。然而，在热扭转过程中，流动局部化，通常以沿固体圆棒或管长度的非均匀剪切应变的形式出现。流动不均匀性的来源可以是轴向温度梯度，它在扭转之前或在扭转过程中出现，或者材料流动软化响应与材料缺陷(如横截面积的小不均匀性)相结合。在高应变率测试过程中，变形加热会加速应变集中的发展速度，特别是对于流动应力对温度的依赖性明显且流动应力应变率敏感性小的材料。

径向温度梯度是通过在Gleeble®机器中直接电阻加热圆棒热扭转试样形成的，它对塑性流动行为的解释影响是通过一套实验、分析和数值模拟工具建立的。通过观察γ′强化镍基高温合金内部的显微组织变化，可以推断出温度梯度以及外径温度与焊接在表面的热电偶温度之间的差异。在1375 K(1102°C)量级的温度下，温度的径向变化通常为~20 K(~20°C)。这种变化与基于输入热能和自由表面辐射热损失平衡的解析热传导模型一致。利用LSHR的本构模型，通过对热扭转过程中径向温度梯度对塑性流动的影响进行数值积分，评估热扭转过程中径向温度梯度对塑性流动的影响。这些计算表明，在非均匀情况下产生的扭矩几乎与在均匀预热到与前一种情况下在分数径向位置0.8的温度相对应的样品中产生的扭矩相同。

[1] Semiatin S L, Mahaffey D W, Levkulich N C, et al. The Radial Temperature Gradient in the Gleeble Hot-Torsion Test and Its Effect on the Interpretation of Plastic-Flow Behavior[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2017, 48(1): 5357-5367.

 

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