长三角G60激光联盟导读
据悉， 德国Helmholtz-Zentrum Hereon研究所发表了一种数值与实验相结合的方法，对AA2024-T3、Ti-6Al-4V和Inconel718合金的材料参数进行了识别。相关论文以「Identification of Johnson-Cook material model parameters for laser shock peening process simulation for AA2024, Ti–6Al–4V and Inconel 718」为题发表在【Journal of Materials Research and Technology】上。
亮点：
-采用数值-实验相结合的方法确定Johnson-Cook参数
-强调Ti-6Al-4V中独特的应变速率敏感性
-通过激光冲击强化应用后的残余应力分析验证方法
本文探讨了如何确定Johnson-Cook材料模型参数，以模拟激光冲击强化等高应变速率过程。文中介绍了一种数值与实验相结合的方法，对AA2024-T3、Ti-6Al-4V和Inconel718合金的材料参数进行了识别。在实验和数值激光冲击强化应用后，根据残余应力对参数进行了验证。然而，研究发现，在低应变速率下识别出的应变速率相关系数不足以准确表征 Ti-6Al-4V合金的行为。因此，有必要识别和确定专门针对与材料预期应用相关的应变速率的适当参数。这项研究的成果为准确确定用于激光冲击强化模拟的Johnson-Cook材料模型参数提供了重要启示。研究结果强调，在Johnson-Cook材料模型中考虑与应变速率相关的系数 C 对于提高模拟工作中保证材料行为的准确性和精确性至关重要。
关键词：航空航天金属材料；Johnson-Cook材料模型参数；高应变速率模拟；激光冲击强化；残余应力
图 1.用于 AA2024-T3、Ti-6Al-4V和 Inconel 718 的准静态拉伸（A）和压缩（B）试验的试样几何形状，以及用于冲击（C）和激光冲击强化（D）试验的试样几何形状。所有尺寸均以毫米为单位。
图 2.非接触式光学三维变形测量系统ARAMIS(1)，与带有拉伸夹具(2)和平面拉伸试样(3)的ZwickRoell Group材料试验机耦合。
图 3. Charpy试验机示意图(A)；制造的冲击压头 (B) 和 Inconel 718 上的冲击区域示例 (C)。
图 4. 在显式有限元模拟中，压头（A）和试样（B）上的网格分布，压头在 x 和 y 方向上的边界条件固定，试样在所有三个方向（x、y 和 z）上的边界条件也固定。
图 5.应变速率相关系数识别的实验和数值分析程序。
图 6.LSP 过程的示意图(A)和实验装置(B)。
图 7.将40×60毫米试样经过LSP处理，并在LSP区域内（指定为P0、P1 和 P2 点）和 LSP 区域外的基材（B0、B1）中使用增量钻孔法进行残余应力测定。
图 8.在固定边界条件下夹在钢板上进行激光冲击强化测试的试样的实验和相关有限元模型（A），以及脉冲压力曲线模拟（B）。
图 9.JC材料模型参数验证过程示意图。
图 10.AA2024T3(A)、Inconel 718(B)和Ti-6Al-4V(C)合金在拉伸（轧制RD和横向RD金属成型方向）和压缩(比较)具有代表性的准静态工程应力-应变曲线。
图 11.AA2024-T3(A)、Ti-6Al4V(B)和Inconel 718(C)合金的等效塑性应力-应变曲线（根据准静态拉伸和压缩测试确定），以及确定Johnson-Cook材料模型参数（A、B 和 n）的拟合曲线。
图 12. 0.7 m/s (A-C)、1.9 m/s (D-F)和3.9 m/s (G-I)速度冲击后x方向表面变形的实验和有限元模拟结果(图3C)。AA2024-T3 (A、D、G)、Ti-6Al-4V (B、E、H)和Inconel 718 (C、F、I)的应变率相关系数CIndent分别为0.025、0.142和0.11。
本研究提出了一套综合程序，用于确定AA2024-T3、Ti-6Al-4V和Inconel 718合金的Johnson-Cook材料模型参数。识别过程结合了拉伸、压缩和冲击试验等实验技术以及有限元分析的数值模拟。为了验证已识别材料模型参数的准确性，进行了LSP实验和额外的有限元模拟。结果表明，AA2024-T3和 Inconel 718的实验行为与数值行为非常吻合，这表明为这些合金确定的Johnson-Cook参数具可靠性的。然而，对于Ti-6Al-4V钛合金而言，在Johnson-Cook模型中，应变速率相关系数可能会出现变化，并有可能受到应用应变速率的影响。这一发现突出了Ti-6Al-4V与AA2024-T3和Inconel 718相比具有较高的应变速率敏感性，这可能是由其独特的晶体结构造成的。
该研究强调了通过考虑部件遇到的特定应变率来确定Johnson-Cook材料模型参数的重要性。由于钛合金的特性，这一知识对钛合金尤为重要。总之，所开发的方法已通过一系列实验和模拟进行了验证，证明其适用于低应变率和高应变率过程，特别是在低应变率过程中。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.168
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