長三角G60激光聯盟導讀
據悉， 德國Helmholtz-Zentrum Hereon研究所發表了一種數值與實驗相結合的方法，對AA2024-T3、Ti-6Al-4V和Inconel718合金的材料參數進行了辨識。相關論文以「Identification of Johnson-Cook material model parameters for laser shock peening process simulation for AA2024, Ti–6Al–4V and Inconel 718」為題發表在【Journal of Materials Research and Technology】上。
亮點：
-采用數值-實驗相結合的方法確定Johnson-Cook參數
-強調Ti-6Al-4V中獨特的應變速率敏感性
-透過激光沖擊強化套用後的殘余應力分析驗證方法
本文探討了如何確定Johnson-Cook材料模型參數，以模擬激光沖擊強化等高應變速率過程。文中介紹了一種數值與實驗相結合的方法，對AA2024-T3、Ti-6Al-4V和Inconel718合金的材料參數進行了辨識。在實驗和數值激光沖擊強化套用後，根據殘余應力對參數進行了驗證。然而，研究發現，在低應變速率下辨識出的應變速率相關系數不足以準確表征 Ti-6Al-4V合金的行為。因此，有必要辨識和確定專門針對與材料預期套用相關的應變速率的適當參數。這項研究的成果為準確確定用於激光沖擊強化模擬的Johnson-Cook材料模型參數提供了重要啟示。研究結果強調，在Johnson-Cook材料模型中考慮與應變速率相關的系數 C 對於提高模擬工作中保證材料行為的準確性和精確性至關重要。
關鍵詞：航空航天金屬材料；Johnson-Cook材料模型參數；高應變速率模擬；激光沖擊強化；殘余應力
圖 1.用於 AA2024-T3、Ti-6Al-4V和 Inconel 718 的準靜態拉伸（A）和壓縮（B）試驗的試樣幾何形狀，以及用於沖擊（C）和激光沖擊強化（D）試驗的試樣幾何形狀。所有尺寸均以毫米為單位。
圖 2.非接觸式光學三維變形測量系統ARAMIS(1)，與帶有拉伸夾具(2)和平面拉伸試樣(3)的ZwickRoell Group材料試驗機耦合。
圖 3. Charpy試驗機示意圖(A)；制造的沖擊壓頭 (B) 和 Inconel 718 上的沖擊區域範例 (C)。
圖 4. 在顯式有限元模擬中，壓頭（A）和試樣（B）上的網格分布，壓頭在 x 和 y 方向上的邊界條件固定，試樣在所有三個方向（x、y 和 z）上的邊界條件也固定。
圖 5.應變速率相關系數辨識的實驗和數值分析程式。
圖 6.LSP 過程的示意圖(A)和實驗裝置(B)。
圖 7.將40×60毫米試樣經過LSP處理，並在LSP區域內（指定為P0、P1 和 P2 點）和 LSP 區域外的基材（B0、B1）中使用增量鉆孔法進行殘余應力測定。
圖 8.在固定邊界條件下夾在鋼板上進行激光沖擊強化測試的試樣的實驗和相關有限元模型（A），以及脈沖壓力曲線模擬（B）。
圖 9.JC材料模型參數驗證過程示意圖。
圖 10.AA2024T3(A)、Inconel 718(B)和Ti-6Al-4V(C)合金在拉伸（軋制RD和橫向RD金屬成型方向）和壓縮(比較)具有代表性的準靜態工程應力-應變曲線。
圖 11.AA2024-T3(A)、Ti-6Al4V(B)和Inconel 718(C)合金的等效塑性應力-應變曲線（根據準靜態拉伸和壓縮測試確定），以及確定Johnson-Cook材料模型參數（A、B 和 n）的擬合曲線。
圖 12. 0.7 m/s (A-C)、1.9 m/s (D-F)和3.9 m/s (G-I)速度沖擊後x方向表面變形的實驗和有限元模擬結果(圖3C)。AA2024-T3 (A、D、G)、Ti-6Al-4V (B、E、H)和Inconel 718 (C、F、I)的應變率相關系數CIndent分別為0.025、0.142和0.11。
本研究提出了一套綜合程式，用於確定AA2024-T3、Ti-6Al-4V和Inconel 718合金的Johnson-Cook材料模型參數。辨識過程結合了拉伸、壓縮和沖擊試驗等實驗技術以及有限元分析的數值模擬。為了驗證已辨識材料模型參數的準確性，進行了LSP實驗和額外的有限元模擬。結果表明，AA2024-T3和 Inconel 718的實驗行為與數值行為非常吻合，這表明為這些合金確定的Johnson-Cook參數具可靠性的。然而，對於Ti-6Al-4V鈦合金而言，在Johnson-Cook模型中，應變速率相關系數可能會出現變化，並有可能受到套用應變速率的影響。這一發現突出了Ti-6Al-4V與AA2024-T3和Inconel 718相比具有較高的應變速率敏感性，這可能是由其獨特的晶體結構造成的。
該研究強調了透過考慮部件遇到的特定應變率來確定Johnson-Cook材料模型參數的重要性。由於鈦合金的特性，這一知識對鈦合金尤為重要。總之，所開發的方法已透過一系列實驗和模擬進行了驗證，證明其適用於低應變率和高應變率過程，特別是在低應變率過程中。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.168
長三角G60激光聯盟陳長軍轉載！
同時歡迎參加我們 長三角G60激光聯盟 在南京舉辦的 第二屆激光智造在儲能行業中的套用 大會（南京）、 激光智造在新能源汽車中的套用大會（合肥）
