一种基于拉伸温度和应变速率的TA2工业纯钛焊接接头力学性能预测方法与流程

一种基于拉伸温度和应变速率的ta2工业纯钛焊接接头力学性能预测方法
技术领域
1.本发明涉及工业纯钛力学性能预测技术领域，具体涉及一种基于拉伸温度和应变速率的 ta2工业纯钛焊接接头力学性能预测方法。


背景技术：

2.工业纯钛ta2有着优异的综合机械性能和工艺特性等,在石化领域应用广泛。在实际使用 过程中，钛制设备也会发生损坏、失效，特别是在焊缝部位。而钨极氩弧焊(tig焊)则以焊接 成形美观,操作简单,极少形成熔渣,且焊接后无须去渣等优点而在钛制承压设备生产上得以广 泛应用。国内外目前对工业纯钛母材的各项性能研究较多，但是对工业纯钛tig焊焊接接头 的研究相对缺乏。
3.温度和应变速率对金属的综合力学性能有着巨大影响，多数金属在高温下往往有着显著 的温度和应变速率敏感性。钛合金作为一种超塑性合金，其在中低温环境下也有着显著的温 度及应变速率敏感性。
4.鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决如何根据拉伸温度和应变速率对工业纯钛ta2的屈服强度进行预 测，公开了一种基于拉伸温度和应变速率的ta2工业纯钛焊接接头力学性能预测方法。
6.为了实现上述目的，本发明公开了一种基于拉伸温度和应变速率的ta2工业纯钛焊接接 头力学性能预测方法，包括以下步骤：
7.s1：在工业纯钛服役的中低温环境下，对ta2焊接接头试样采用不同拉伸温度和拉伸应 变速率进行拉伸，得到拉伸实验数据；
8.s2：考虑温度和应变速率的影响，建立不同的拉伸本构方程来描述材料的中低温拉伸应 力应变曲线，确定不同的拉伸本构方程的模型参数；
9.s3：定量比较不同模型的预测精度，将真实应力数据与模型拟合得到的应力数据进行误 差分析；
10.s4：选择适用性较高的模型作为基于拉伸温度和应变速率的ta2工业纯钛焊接接头力学 性能的本构模型。
11.所述步骤s1中ta2焊接接头试样的化学成分如下：ti＞99、fe＝0.06、n＝0.01、c＝0.01、h＝0.001、o＝0.12以及其他成分＜0.4。
12.所述步骤s1中拉伸温度分别为20℃、150℃、225℃、300℃。
13.所述步骤s1中拉伸应变速率分别为0.00005/s，0.0005/s，0.005/s。
14.所述步骤s2中不同的拉伸本构方程包括johnson-cook(jc)本构方程、modifiedzerilli-armstrong(mza)本构方程、arrhenius本构方程。
将焊接接头位于中心位置，然后将长条矩形试样车成圆柱形带螺纹的拉伸试样，最后经打磨 和抛光处理，拉伸试样如图1所示。
31.表1 ta2的化学成分
[0032][0033]
拉伸实验将分别在如下4个温度下进行：20℃，150℃，225℃，300℃。对应的应变速率 分别为0.00005/s，0.0005/s，0.005/s等，具体实验方案如表2所示。实验设备为mts809试 验机，同时为了研究ta2焊接接头失效断口形貌的温度与应变速率相关性，使用jsm-6360lv 扫描电镜进行断口扫描。
[0034]
表2拉伸实验方案
[0035][0036]
实施例1
[0037]
modified zerilli-armstrong(mza)模型的描述
[0038]
modified zerilli-armstrong(mza)模型考虑了应变硬化的影响，同时考虑了应变对温度 软化的影响，且将温度软化和应变速率硬化特性利用指数式进行了综合考量。其具体形式如 下：
[0039][0040]
该公式包含c
1-c6和n七个参数，均可通过实验数据计算得到。名义化应变速率相对温度t
*
＝t-tr。和tr分别是材料的参考应变速率与参考温度，同样可选择为最低应 变速率和最低温度。和jc本构方程相比，mza模型有着更多的参考量，参数更复杂，具体 本构参数的获取过程如下：
[0041]
(1)参数c1、c2和n的计算：材料在参考应变速率和参考温度下的屈服强度即为c1。参 考温度选择最低温度20℃，参考应变速率为最低应变速率0.00005/s，计算得到参数c1＝339mpa。 当选取参考应变速率为应变速率时，公式(5)退化为：
[0042]
σ＝(c1 c2εn)exp[-(c3 c4ε)t
*
]
ꢀꢀꢀ
(6)
[0043]
将其两边取对数即表示为：
[0044]
ln(σ)＝ln(c1 c2εn)-(c3 c4ε)t
*
ꢀꢀꢀ
(7)
[0045]
在不同温度下，取相同应变即可得到不同温度下的ln(σ)-t
*
关系曲线，即此关系式下得 到的多组曲线有不同的截距和斜率，其中截距满足inter＝ln(c1 c2εn)公式，斜率满足 s1＝-(c3 c4ε)公式。对截距的关系式进行变形可以得到：
[0046]
ln[exp(inter)-c1]＝ln c2 n lnε
ꢀꢀꢀ
(8)
温度下的屈服强度为参数a，然后本构参数b和n通过拟合应力应变曲线即能确定。选择 0.00005/s为参考应变速率，室温为参考温度，屈服强度依据0.2％准则确定为339mpa，即参 数a。参数b和n只要对实验数据进行指数拟合即可得到，b＝691.82988，n＝0.55474。
[0065]
(2)参数c的计算：在室温下，公式(1)退化为在某一应变 处，可由的斜率得到参数c。参考温度选择室温，应变量为0.01时计算参 数c，通过图2(a)的斜率可知参数c＝0.03776。
[0066]
(3)参数m的计算：公式(1)在参考应变速率下退化为σ＝(a bεn)(1-t
*m
)，在某一 应变处，参数m可由ln[1-σ/(a bεn)]-lnt
*
的斜率得到。参考温度选择室温，应变量为 0.01时，通过图2(b)的斜率可知参数m＝0.8211。
[0067]
根据上述jc本构方程参量获取步骤即能获得不同温度下ta2焊接接头的jc拉伸本构模 型，本构参数列于表3中，进而由jc本构方程预测ta2焊接接头在不同温度和应变速率下 的应力应变情况。根据上文整理jc公式：
[0068][0069]
表3工业纯钛焊接接头的jc本构方程材料参数
[0070]
abncm339691.829880.554740.037760.8211
[0071]
实施例3
[0072]
arrhenius模型的描述
[0073]
材料的应力应变曲线能够通过arrhenius本构方程进行描述，同时可通过方程中的激活能 参量的计算确定相应的变形机制。此本构方程采用zener-holloman参数来表征温度与应变速 率的影响，zener-holloman参数可表示为：
[0074][0075]
其中，r＝0.008314kj/(mol
·
k)，为理想气体常数；q为热激活能，通过不同温度下的实 验数据计算得到。arrhenius本构方程就是将z参数和流变应力利用关系式进行关联。关系式 中主要包括：指数方程、对数方程和双曲函数方程，分别如下：
[0076][0077]
其中，a1，a2，a3，n
′
，β，n可以通过实验数据拟合获得，它们均为材料常数，而 常数α＝β/n
′
。双曲正弦形式在拉伸行为描述中运用的最为广泛，综合z参数公式与双曲函 数的表达式可以得到描述拉伸行为的arrhenius本构方程：
[0078][0079]
其中a，α，q均为材料常数，需要计算试验数据的获得。公式(11)表征的是在特定应变 处，应力与应变速率和温度的关系，由于应变的影响未考虑，因此要获得拉伸应力应变曲线 的本构方程需要建立本构参数与应变的关系式。常用的本构参数应变关联式是多项式关联方 程，可用如下形式表示：
[0080]
mc＝inter b1ε b2ε2 b3ε3 b4ε4ꢀꢀꢀ
(14)
[0081]
其中mc代表各个材料常数，通过多组应变值的本构参数进行多项式拟合可以确定inter, b1,b2,b3和b4。ta2工业纯钛的中低温拉伸应力应变曲线只要结合公式(13)和公式(14)就可以 计算。ta2工业纯钛arrhenius本构方程材料参数的计算步骤如下：
[0082]
(1)计算α：结合公式(11)和公式(12)，在某一温度与应变处，根据与lnσ斜率计算， β值可根据与σ在线性坐标下的斜率得到，α值根据α＝β/n
′
即能计算出。以温度为室温， 应变为0.008的实验数据为例，与lnσ的关系由图4(a)给出，通过图4(a)可得斜率 n
′
＝27.42446；图4(b)给出了与lnσ的关系。由图4(b)可得斜率β＝0.0672；因此 α＝β/n＝2.45
×
10-3
。
[0083]
(2)计算n：将公式(11)等式两边取对数可得
[0084][0085]
由上式可知根据的斜率确定参量n，由图4(c)可计算出室温下应 变为0.008时，n＝20.8829。
[0086]
(3)计算q和ln a：由公式(15)可知，根据ln[sinh(ασ)]-1/t的斜率s能够得到q/rt的 值。根据ln[sinh(ασ)]-1/t的截距i,因此q和ln a可以通过 ln[sinh(ασ)]-1/t的关系图计算得到。由图4(d)的斜率s可计算出q＝snr＝115.62；根 据截距i可计算
[0087]
inter、b1、b2、b3、b4的计算：步骤(1)-(3)均是对某一应变处本构参量的计算过程，需 要建立起本构参量与应变的关联式公式(14)才能与应变进行关联。根据公式(14)将不同应变处 的本构参量进行多项式拟合，获得inter、b1、b2、b3、b4的值。以参数n为例，图4(e)给 出了参数n与应变的多项式拟合过程。表5为本构参数列表。
[0088]
表5 ta2工业纯钛的arrhenius本构方程材料参数
[0089] interb1b2b3b4α0.00274-0.04751.26433-15.7821172.83189n40.518973597.53995193783.7292-3.70e 062.34e 07q224.7685120043.621021.09e 06-2.09e 071.32e 08lna76.287-7492.11985406983.1909-7.79e 06 [0090] 将上述三个模型的描述精度进行系统全面的比较，如图5所示，选择应变速率5
×
10-4
/s 对各个拉伸温度的试验数据与三个本构方程的预测结果进行比较。
[0091]
图5为0.0005/s应变速率时不同温度下实验数值与jc、mza和arrhenius模型预测数值 的对比图。图中显示，在应变速率恒定情况下，低温时jc模型和mza模型计算值在低应变 时与实验数据基本吻合；当温度不断增加时，jc模型预测值不断偏离实验数据，精度差，而 mza模型对温度的敏感性低，即使温度不断升高，与实验数据依然吻合，精度高；arrhenius 模型在常温和150℃时的精度不及mza模型，但在225℃和300℃下精度较高.
[0092]
图6为20℃时不同应变速率下jc、mza和arrhenius模型预测数值与实验数据对比图， 从图中可以看出在温度恒定的情况下，低应变速率下jc模型和mza模型都与实验数据基本 吻合；当应变速率不断上升时，mza模型不断偏离实验数据，精度差，jc模型随着应变速 率的增加，也出现偏离实验数据的情况，但精度比mza、arrhenius模型高。
[0093]
结合图5、6可以看出，在低温低应变速率的情况下，jc模型和mza模型与实验数据基 本吻合，精度较好。
[0094]
就温度敏感性而言：jc模型对温度的敏感性高，随着温度的增加jc模型不断偏离实验 数据；而mza模型对温度敏感性低，温度升高，mza模型仍能精确预测ta2焊接接头的应 力值；arrhenius模型在较高的温度下能较好预测实验数据。
[0095]
就应变速率敏感性而言：mza模型对应变速率敏感性高，随着应变速率的增加，mza 模型的预测值不断偏离实验数据，而jc模型对应变速率的敏感性相对较低，随着应变速率的 增加，在室温下，jc模型仍能精确预测ta2焊接接头的真实应力值。
[0096]
为了进一步定量化地对本构模型进行评价，本节引出统计学参量相关系数r
′
。预测数值 与实验数据之间的相关性可由相关系数r
′
来表示，其数学表达式如下：
[0097][0098]
其中σa(mpa)为试验应力，σ
p
(mpa)为模型预测应力；和分别为试验 应力与模型预测应力的平均值；统计样本的总数为n。
[0099]
统计数据为图5、图6中所包含的实验数据和预测数值，表6比较三种本构方程的相关 系数。定量地说明了描述精度最高的为mza模型，arrhenius模型次之，最差的是jc。因此 对于描述考虑温度与应变速率敏感性的ta2焊接接头拉伸应力应变曲线而言，mza本构模 型具有优势。
[0100]
表6比较本构模型相关系数r
′
[0101]
本构模型参数数量r
′
jc50.817mza70.887arrhenius200.859
[0102]
为了更加直观对本构模型进行分析，将实验得到的真实应力与拟合模型得到的真实应力 做误差分析，结果如图7所示，通过误差分析，可以直观地看出：在温度较高时，jc模型不 能较好地描述真实应力应变曲线，mza和arrhenius模型描述真实应力应变曲线精度较高。 在应变速率变化的时候，jc模型的精度随着应变速率上升而升高，比mza和arrhenius模型 更具有优势。
[0103]
通过三种模型的预测值与实验值的对比发现：mza模型和jc模型在低温低应变速率下 对ta2焊接接头拉伸的预测较为精确；jc模型对温度的敏感性高，随着温度的升高，预测精 度不断下降；mza模型对应变速率的敏感性高，随着应变速率的增加，预测精度不断下降； arrhenius模型在温度较高时，预测精度比jc模型好，跟mza模型差不多。总体而言，jc 更适合作为预测低温下不同应变速率的模型，mza模型适合作为在低应变速率下不同温度的 模型。arrhenius模型适合温度在150℃以上的真实应力应变曲线预测。结合统计参量相关系 数r
′
和误差分析可知，总体而言，mza模型的适用性最高。
[0104]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本 专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改， 甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。