Page 70 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

Numerical Simulation Driven Hot Working Technology for High-temperature Alloys
数值模拟驱动的高温合金热加工技术

在高温合金的应用中，Johnson-Cook 模型具有一定的优势。由于其形式简
单、参数较少，便于通过实验数据进行拟合确定参数值，这使得该模型在工程实
际中易于应用。在一些高温合金的热加工过程模拟中，如锻造、轧制等，需要快

速准确地预测材料在不同变形条件下的力学行为，Johnson-Cook 模型可以通过较
少的实验和计算量，提供较为合理的预测结果，为工艺参数的优化提供参考。然
而，Johnson-Cook 模型也存在一些局限性。该模型假设应变硬化、应变率强化和
温度软化这三个效应是相互独立的，而在实际的高温合金变形过程中，这些效应

之间往往存在复杂的耦合作用。在高温和高应变率同时作用下，材料内部的位错
运动和微观结构演变会更加复杂，单纯将三个效应线性叠加可能无法准确描述材
料的真实力学行为。此外，该模型对材料微观结构的变化考虑相对较少，对于一
些微观结构对力学性能影响较大的高温合金，如含有大量析出相的沉淀强化型高

温合金，模型的预测精度可能受到一定限制。为了克服这些局限性，许多学者对
Johnson-Cook 模型进行了改进。一些改进模型通过引入新的参数或函数形式，考
虑了应变硬化、应变率强化和温度软化之间的耦合效应；还有些模型复合材料的
微观结构特征，如位错密度、晶粒尺寸等，对模型进行修正，以提高其对高温合

金复杂力学行为的描述能力。
2. Arrhenius 型模型
Arrhenius 型模型最初源于化学动力学领域，用于描述化学反应速率与温度
之间的关系，后来被引入材料科学领域，用于描述材料在热激活过程中的变形行

为，特别是在高温变形条件下，该模型能够很好地体现材料的热变形机制与温
度、应变速率之间的内在联系。Arrhenius 型模型的基本原理基于热激活理论，
认为材料的变形过程是一个热激活过程，需要克服一定的能量障碍（即激活能）
才能发生。在高温变形时，原子具有足够的能量来克服这些障碍，从而导致材

料的塑性变形。应变速率与温度、激活能之间存在指数关系，这种关系可以用
Arrhenius 方程来描述。Arrhenius 型模型的特点在于它能够准确地描述高温合金
在热变形过程中应变速率与温度、应力之间的复杂关系，充分考虑了热激活机制
对材料变形行为的影响。通过该模型，可以清晰地揭示温度和应变速率对高温合

金流变应力的影响规律。当温度升高时，原子的热运动加剧，材料的热激活能更
容易被克服，从而使得材料的变形更容易发生，流变应力降低；当应变速率增加
时，材料内部的位错运动来不及充分进行，导致流变应力增加。在描述高温合金

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