基于粘塑性统一本构理论的挤压筒服役性能退化机理研究

The heavy metal extrusion presses are used for producing fixed-section products for application in the aero-space, automotive, railbound vehicle, energy, weaponry industries. The container is one of its key components that withstand high temperature and extremely high pressure in the extrusion process. However, the existed design method cannot consider the creep-fatigue interactions, and therefore, the containers perform short lifetime and low reliability. To improve its performance, the applicant studied the mechanical and thermal loadings with the financial support by special funds of NSFC 2013. This proposal is to extend the topic by conducting the following researches: model complex behaviors of hot working steel based on unified viscoplasticity model and experimental studies, develop the simulation method for predicting the stresses/strains evolution during the lifetime, explore the degeneration of mechanical properties in metal under the interaction of creep-fatigue, and optimize the structure design, material selection, forging process, as well as heat treatment. A new design approach respected to the creep-fatigue interaction is developed for improving the serve-life and reliability of the compound containers. It’s believed that this research will make a significant contribution to the design high performance extrusion containers.

大型挤压成套装备是航空航天、交通、能源、武器等领域的重要基础制造装备，挤压筒是造价最昂贵的核心部件之一，在服役过程中承受交变的高温高压共同作用。针对当前挤压筒仍按静强度进行设计，导致服役寿命短、可靠性差的问题，申请者在2013年度NSFC科学部主任基金资助下，研究了挤压筒服役过程中机械载荷谱和温度负荷；本项目将在此基础上开展粘塑性统一本构理论研究，构建描述服役环境下材料复杂力学行为的本构关系模型；开展典型热作模具钢高温疲劳/蠕变实验，建立材料的本构方程；研究挤压筒服役中应力/变形演化规律的模拟方法，探索挤压筒疲劳-蠕变交互作用下性能退化规律；进而对结构参数、材料选取、锻造及热处理工艺等方面进行优化，延长挤压筒服役寿命。项目研究成果可以形成基于疲劳-蠕变理论的先进设计原理及方法，提升我国大型挤压筒设计制造能力。

本课题旨在研究大型挤压筒用热作模具钢的本构理论和蠕变-疲劳理论，建立真实反映材料非线性行为以及性能退化机理的统一本构方程与蠕变-疲劳法则，突破传统挤压筒设计分析方法的局限性。为此，本项目主要开展了相关研究工作，并取得以下研究成果：1）建立了基于DDM法与S-N曲线及过盈理论的挤压筒疲劳蠕变寿命分析方法：在2014年主任基金的研究基础上进一步进行了多层组合式挤压筒弹性设计理论模型、弹塑性设计理论模型，以及疲劳/蠕变线性累加应力演化模型和寿命预测模型等理论研究；2）建立了挤压筒材料粘塑性统一本构模型：通过研究分析热作模具钢H11/H13材料力学实验结果，研究其力学行为特性，提出合理的本构模型并获取相应模型参数；3）建立了蠕变-疲劳损伤寿命预测方法：分析疲劳蠕变实验结果及损伤累积规律，建立挤压筒材料疲劳蠕变寿命损伤法则并获取相应模型参数；4）建立了挤压筒服役过程中性能退化的数值模拟模型：将耦合损伤的本构模型写入ABAQUS用户子程序UMAT，对挤压过程进行有限元模拟，揭示实际挤压条件下材料性能退化规律，优化挤压筒设计参数和加工装配工艺；5）建立了构件疲劳蠕变寿命可靠性分析方法：提出一种能量守恒原则下寿命预测模型和损伤演化模型，研究不同应力状态下寿命离散性，开展高温疲劳蠕变实验验证，并对试样微观组织和断口观察分析。以上研究计划共36月内完成，目前基本按研究计划进行并完成相关研究工作，已发表期刊论文8篇（其中三区SCI 4篇、SCI4区2篇，EI 收录1篇，CSCD收录1篇），正投稿论文2篇，待投稿学术论文2篇，参加国际学术会议2次。通过本项目培养研究生6名，其中在读博士研究生（马玲、杜伟奇）2名，毕业硕士研究生2名（陈世磊、李一红），在读硕士生2名（张峪铭、徐俊峰）。本研究成果支撑课题组获得“机械工业联合会二等奖”和“机械工业集团特等奖”各1项，授权发明专利2项。