超塑性
關注創建者：走過繁華四季的美好 創建時間：2019-10-21
超塑性的視頻教程
ASNYS WORKBENCH基于UP耦合算法和非線性自適應網格的齒輪鍛造擠壓仿真
本課程專為有一定ANSYS Workbench使用經驗，并渴望深入掌握復雜非線性問題處理技巧的CAE工程師設計，基于UP耦合算法與非線性自適應區域技術在齒輪鍛造靜態（準靜態）分析中的深度應用，您將學習如何利用ANSYS Workbench的強大功能，有效應對鍛造過程中遇到的各種強非線性挑戰，包括： 材料的超塑性與大變形行為： 深入理解并準確定義適用于鍛造過程的非線性材料模型。
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塑性力學從入門到精通網課
- 2.1 矩形截面梁的彈塑性純彎曲 2.2 橫向載荷作用下梁的彈塑性分析 2.3 強化材料矩形截面梁的彈塑性分析 2.4 超靜定梁的塑性極限載荷 第3章 應變分析、應力分析和屈服條件 3.5幾個常用的屈服條件 3.1應變張量和應力張量 3.7 巖土力學中的庫倫屈服條件 3.2 應變張量或應力張量的不變量 3.8 加載條件 3.3 偏應變張量和偏應力張量 3.4 屈服條件
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超塑性的實例教程
采用等溫鍛造或超塑性鍛造，不僅可以成形許多常規金屬材料，而且可以成形許多常規變形方法不能加工的低塑性、難變形材料，目前已廣泛應用到合金鋼、鈦合金、鋁合金、鎂合金、高溫合金、金屬間化合物、大塊非晶、復合材料以及粉末材料的成形加工方面。等溫鍛造和超塑性鍛造工藝規范的確定以材料流動應力低、塑性高、氧化少為原則，并要兼顧到模具材料的承受能力。材料在等溫狀態下的流動應力受溫度、應變和應變速率的影響，既具有應變強化特性，又具有應變速率強化特性。依材料品種、成形溫度和應變速率不同，上述兩種特性彼此消長，而材料的塑性也同樣受上述因素的影響。合理的成形工藝熱力規范可以保證材料具有較高的塑性和低的變形抗力，有利于成形過程的穩定進行。不同種類的材料其應力應變曲線具有很大的差異，為了合理地確定其等溫鍛造和超塑性鍛造工藝規范，應對不同材料的等溫鍛造和超塑性鍛造成形性能進行具體分析。
如前所述，組織超塑性的前提是材料具有等軸細
晶組織。
獲得該組織的途徑有三種：
工業供貨狀態即
為等軸細晶組織，主要是部分鈦合金（如Ti-6Al-
4V）、雙相不銹鋼（如0Cr21Ni5Ti）；
為獲得超塑性
而特殊開發的材料品種，主要是在超塑性研究早期；
工業牌號材料的細晶化處理。
展開 近似超塑性技術
對具有微晶質的材料組織超塑性的研究(晶粒的平均尺寸通常不超過10 ～20μm)，是在提高溫度和相對低的變形速度(通常在10-4 ～10-3s-1) 下進行的。事實上已經確定，任何多晶體材料，包括鋁基、鈦基、鎳基等工業合金都能轉變為超塑性組織狀態。在許多場合，在金屬壓力加工時運用超塑性可以保證降低變形力、減少工藝工步數量并提高半成品的力學性能和尺寸精度。在常規鍛造條件下，這些金屬材料的鍛造溫度范圍比較窄，尤其軋制薄板、高筋和薄壁零件時，坯料的熱量很快被工模具吸收，溫度迅速下降。不僅需要大幅度地提高設備的噸位，而且也容易造成工模具的開裂。尤其是鈦合金更為明顯，它對變形溫度非常敏感，當變形溫度由920℃降到820℃時，變形抗力幾乎增加一倍。鈦合金超塑性的變形力大約只有普通軋制的1/30 ～1/10。
鈦合金廣泛用在許多工業領域，包括航空航天、汽車和生物醫學。大家知道，許多鈦合金工藝塑性低，供貨狀態下組織不均勻。因此，從這些材料中獲得價廉物美、高質量、復雜零件具有迫切現實意義。解決該問題有效途徑之一是使用超塑性技術。遺憾的是生產各種合金超細晶粒是困難的，價格也是高昂的。
粗晶超塑性
O.I.Вylyа，Р.L.Вlekvell(Strаthсlyde,Glаsgow 英國斯特拉思·克萊德大學)，Р.А.Васин(俄羅斯國立馬里大學機械學院)，M.K.Sаrаndzhi(印度技術教育和研究學院)合作研究了粗晶超塑性。
超塑性壓力加工成形主要優點之一是材料能夠達到非常大的變形。但是，很多工藝過程不需要100% ～200%的變形量，一般金屬鍛比達到5，即變形達到75%即可。為了保證零件高的使用性能不總是要求最優的。況且粗晶片狀顯微組織對抗疲勞裂紋擴張具有更好的穩定性。
展開 圖1納米/亞微米晶鋼制備工藝示意圖
通過控制冷軋及退火工藝，形成了多尺度納米/亞微米晶奧氏體組織，可獲得屈服強度約900MPa，延伸率約為45%的優異的強塑性匹配；研究了等溫退火對馬氏體逆相變和殘余奧氏體再結晶行為的影響規律，明確了加熱過程中加熱速率對馬氏體逆相變機制的作用機制，探究并分析了納米/亞微米晶304不銹鋼的加工硬化行為及其低溫超塑性。
圖2(a)304不銹鋼初始熱軋組織；(b)制備的納米/亞微米晶組織
圖3不同異質結構的奧氏體組織及其工程應力-工程應變曲線
研究了納米/亞微米晶（晶粒尺寸約200nm）304不銹鋼的低溫（?0.5Tm）超塑性行為，發現其在600℃表現出類超塑性行為，延伸率?150%；在630℃表現出典型的超塑性行為，最大延伸率超過300%，其超塑性變形機制為晶界滑動，協調變形機制包括晶界遷移和位錯滑移。低溫超塑性的發現進一步拓寬了其在高溫領域的應用。
圖4納米/亞微米晶304不銹鋼不同溫度下的拉伸曲線
三、主要創新性成果
基于前期課題組關于納米/亞微米晶鋼的研究基礎，以304不銹鋼為研究對象，旨在制備出大尺寸高強塑性的納米/亞微米晶奧氏體不銹鋼，并圍繞組織納米化機理（包括變形過程中的馬氏體相變和退火過程中的逆相變機制）、強塑性控制、塑性變形機制、加工硬化行為、低溫超塑性行為、耐腐蝕性能等展開一系列研究，以期能為高強塑性納米/亞微米晶鋼的制備提供一定的理論依據，為后續實際工業生產提供一定的理論指導。
展開 兩層結構葉片由美國普惠公司在 80 年代末提出，首先將預先機加工出空腔的兩半對稱的扁平葉身進行擴散連接，通過加強筋形成空腔結構，再將整體空心毛坯加熱至超塑成形狀態，利用重力作用和模具獲得葉片初步的彎扭度，之后利用模具合模使葉片成形至所需形狀，最后進行數控加工獲得成品。此類葉片成功運用在 PW4084 系列增推型發動機，風扇直徑增大到 2.84 m，葉片數量減少至 22 片。Bichon 等于 1997 年提出了將兩塊板擴散焊后常規熱塑性成形再超塑性成形的方法。原材料為晶粒尺寸 7 m 左 右的鈦合金鍛坯，預先機加工出帶減重槽的葉盆 側和葉背側平板進行擴散焊接，在焊接溫度 875~940 ℃，焊接壓力 3~4 MPa 的等靜壓下保溫保壓至少 1 小時，之后焊后葉片在超塑性成形溫度和應變速率范圍內扭轉得到具有過渡形狀的葉片，隨后對熱扭轉后的葉片進行熱壓和氣脹校形，超塑性氣脹成形溫度在 850～940 ℃之間， 充氣壓力在 2~4 MPa 下最佳。目前兩層結構寬弦空心風扇葉片的制造工藝路線可總結為：
1）擴散連接-常規塑性成形-超塑成形按照預定毛坯設計先通過擴散焊接獲取整體空心平板毛坯，之后利用熱成形模具對毛坯進行常規塑性成形及氣脹蠕變成形，材料需要經歷至少 3 次加熱循環。
2）常規塑性成形-熱等靜壓擴散連接首先通過常規塑性成形獲取具有葉片曲面外形的葉盆及葉背側面板，之后機加工出面板空心結構，最終通過擴散焊接使已經具有彎扭形狀的葉盆以及葉背側面板連為一體。材料需要經歷至少 2 次加熱循環，不需要進行超塑成形。
展開 扭軸成型示意圖
金屬扭軸
7
超塑性成型
這種新發展的技術用類似熱塑成型的方法來生產鈑金件。金屬板材加熱后以空氣壓力加壓成型，這種制程依賴于特殊級數的鎂鈦鋁材料的超塑性。
超塑性成型示意圖
超塑成型的自行車框架
超塑性的最新內容
從線性彎曲到非線性大變形，從彈性材料到彈塑性、超彈性材料，兩種方法的結合使連續殼單元在精度、效率與穩定性上實現突破，為仿真提供了可靠工具。
? 優勢2、非線性能力完善，支持多類實際工況
OptiStruct 的隱式非線性功能已經非常全面，主要包括：
材料非線性：彈塑性、超彈性、粘彈性、蠕變材料；
幾何非線性：大變形、后屈曲（加入 Riks 算法）；
接觸非線性：點-點、點-面、面-面，小滑移、大滑移、連續滑移，初始穿透等多種接觸類型。
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OptiStruct 的隱式非線性功能已經非常全面，主要包括：
材料非線性：彈塑性、超彈性、粘彈性、蠕變材料；
幾何非線性：大變形、后屈曲（加入 Riks 算法）；
接觸非線性：點-點、點-面、面-面，小滑移、大滑移、連續滑移，初始穿透等多種接觸類型。
為此，我投入了大量業余時間，先后實現和錄制了線彈，超彈，彈塑性等等umat vumat開發。由于本構開發與諸多研究生課題契合，也使得課程迎來了小的爆發。我的課程也成為許多同學入門umat vumat第一課。截止到現在，我已經在技術鄰平臺發布了40多門課程，24年影響力也持續在前十名。將來我也會繼續深入錄制相關課程，為大家帶來更好的視頻教程，也感謝大家一年來的支持。
考慮所有傳熱模式的熱分析（傳導、對流和熱輻射）
更高效的計算輻射視角系數
穩態和瞬態傳熱分析
與溫度相關的材料特性，可提高精度
線性和非線性材料屬性，用于更好地表示行為
熱接觸，允許在組件之間傳遞熱量
以溫度為初始條件執行熱應力分析
熱和結構行為的耦合
包含摩擦和內部塑性發熱
功能：
支持材料模型包括彈性塑性、超彈、形狀記憶合金、復合材料
考慮所有傳熱模式的熱分析（傳導、對流和熱輻射）
更高效的計算輻射視角系數
穩態和瞬態傳熱分析
與溫度相關的材料特性，可提高精度
線性和非線性材料屬性，用于更好地表示行為
熱接觸，允許在組件之間傳遞熱量
以溫度為初始條件執行熱應力分析
熱和結構行為的耦合
包含摩擦和內部塑性發熱
功能：
支持材料模型包括彈性塑性、超彈、形狀記憶合金、復合材料
</p><p>02非線性</p><p>除了線性、彈性材料，您可以仿真材料在經歷塑性甚至超彈性變形時的行為（橡膠和氯丁橡膠等材料）。</p><p>03接觸</p><p>Ansys Mechanical 包括全面的接觸功能，使您能夠考慮多個部件的相互作用。 </p><p>04結構優化</p><p>Ansys Mechanical 包括參數、形狀（網格變形）和拓撲優化。
MSC.Marc聯盟，成員包括高校博士、Marc公司研發人員，我們歡迎有志之士的加入，并開展Marc mentat的相關業務：
主攻方向：
焊接；超塑性；壓模；軋制；蠕變；疲勞分析；連鑄；蠕變；塑性加工；汽車懸架；抗震；彈塑性；IDA分析；剪力墻（普通砼和UHPC）抗震；橡膠砂剪切試驗；振動臺試驗模擬
這里嘗試利用作者的思路基于超彈性晶體塑性模型和雙重迭代方案進行類似的孿晶模型編寫同時為了對照，也對damask內置的孿晶模型進行編寫，模擬結果與damask軟件中具有良好的一致性：
數值案例：
編寫的umat和damask軟件輸入對應的初始織構：
20%拉伸變形下damask對應的織構
20%拉伸變形下umat對應的織構
變形過程中應變場對比：
變形過程中應力場對比
Ribbon風格界面
豐富的材料本構
LiToSim 2023包含豐富的材料本構，支持線彈性、彈塑性、超彈性、蠕變、泡棉、粘彈性多種材料本構。
