Page 69 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第二章 数值模拟基础理论与方法

参数以及它们之间的耦合关系，通过合理的方法和步骤，建立准确、可靠且具有
实际应用价值的模型，从而更好地理解和解决复杂的多物理场耦合问题。

第三节 高温合金本构模型与材料数据库构建

一、高温合金本构模型的理论基础

（一）本构模型的基本概念
高温合金于 20 世纪 40 年代问世，它指以铁、钴、镍为基体，能在 600℃以
上温度，一定应力条件下适应不同环境长时间或短时间使用的金属材料，具有较
高的强度、塑性，良好的抗氧化、抗热腐蚀性能，良好的热疲劳性能，断裂韧性，

良好的组织稳定性和使用可靠性。其主要分为铁基高温合金、钴基高温合金和镍
基高温合金。本构关系广义上是指自然界作用与由该作用产生的效应两者之间的
关系。为确定物体在外部因素作用下的响应，除必须知道反映质量守恒、动量平衡、
动量矩平衡、能量守恒等自然界普遍规律的基本方程外，还须知道描述构成物体

的物质属性所特有的本构方程，才能在数学上得到封闭的方程组，并在一定的初
始条件和边界条件下把问题解决。因此，无论就物理或数学而言，刻画物质性质
的本构关系是必不可少的。目前应用较多的本构模型主要包括弹塑性力学中的经
典本构模型，如理想弹塑性模型、线性强化弹塑性模型、幂强化力学模型和刚塑

性力学模型。然而塑性变形中应力 - 应变之间关系是非线性的，应变不仅与应力
状态有关，而且和变形历史有关，因而研究者还提出增量理论和全量理论进行描
述主要形成。研究者在对金属材料的研究中不断提出新的本构模型，主要形成了
两类本构模型：经验型本构模型，如Johnson-Cook模型、Rusinek-Klepaczko模型等；

物理型的本构模型，如 Hoge-Mukherjee 模型、Zerilli-Armstrong 模型、MTS 模型等。
（二）常用的本构模型
1. Johnson-Cook 模型
Johnson-Cook 模型是一种广泛应用于描述金属材料在高应变率、高温和大变

形条件下力学行为的本构模型。该模型由 Johnson 和 Cook 于 1983 年提出，其基
本形式考虑了应变硬化、应变率强化和温度软化三个主要效应，通过将这三个效
应分别独立表示，实现了对材料在复杂载荷条件下力学行为的描述。

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