热轧钢延性损伤断裂过程各向异性的细观力学分析

对热轧钢中的长条形初始损伤孔洞承受不同方向最大正应力时的后续损伤演化和断裂的过程进行细观有限元分析.结果表明:热轧钢中的长条形夹杂物与基体剥离后形成的长条形孔洞在后续加载中,其周围产生的局部高应力应变集中及其相互作用使孔洞长大.孔洞长大行为存在明显的个体差异,个别大孔洞的快速长大和聚合对材料破坏起主导作用.当长条形孔洞承受不同方向的最大正应力加载时,孔洞周围产生的局部应力应变分布及其相互作用不同,孔洞长大速率及其聚合时的临界外加主应变不同,相应的材料延性起裂韧性不同.当最大正应力与孔洞长条平行时,韧性最高;垂直时,韧性最低.     

一个基于孔洞演化机制的韧性断裂预测模型

在韧性断裂中微观孔洞演化机制的基础上,提出了一个基于孔洞演化机制的非耦合型韧性断裂预测模型.模型充分考虑了两种典型的孔洞演化机制:孔洞的长大机制和孔洞的拉长扭转机制.该模型引入了三个具有不同物理意义的材料参数:材料对不同孔洞演化机制的敏感度、应力状态敏感度系数和材料的损伤阈值,并使用等效塑性应变增量表征其对韧性损伤累积过程的驱动作用.为了使模型可以更好地反映三维应力状态对材料韧性断裂性能的影响,将该模型从主应力空间转换到由应力三轴度、罗德参数和临界断裂应变构成的三维空间,得到了由模型确定的三维韧性断裂曲面,并研究了相关参数对三维韧性断裂曲面及平面应力二维韧性断裂曲线的影响.利用5083-O铝合金、TRIP690钢和Docol 600DL双相钢三个典型的轻质高强板材的韧性断裂数据验证了该模型对不同材料和不同应力状态的适用性和准确性.     

考虑孔洞大小及分布非均匀性的材料细观损伤

为了研究金属材料中由于夹杂或第二相粒子的存在所形成的孔洞等 ,细观缺陷的大小及分布的非均匀性对材料损伤演化的影响 ,建立了孔洞群三维体胞模型 ,可以在孔洞大小及分布非均匀的情况下对材料损伤进行有限元模拟计算 .计算结果表明 :孔洞非均匀性增强了材料局部孔间干涉作用和孔洞的长大 ,引起材料损伤局部特性不均 ,因此 ,非均匀细观结构较均匀化假设更易于造成材料的损伤和破坏 ;采用常系数 q1和 q2 描述孔间干涉作用是不够准确的 ,q1及 q2 是逐渐增大的变化量     

初始损伤对钢的延性起裂韧性影响的细观力学分析

通过力学参数测量和微观观察研究了初始损伤对钢的延性起裂韧性影响.研究结果表明,随钢组织在预加载荷中产生的微孔洞初始损伤量的增加,其延性起裂韧性降低.并进一步对初始损伤孔洞在后续加载中的演化行为的细观有限元力学进行模拟计算及微孔洞初始损伤对钢的延性起裂韧性影响的机理进行了研究.计算结果表明,初始大尺寸孔洞长大速度比较快,且在这些孔洞之间存在变形局部化,容易诱发二次小孔洞的形核和长大,从而使一次初始大孔洞连接,使材料延性起裂,因而大尺寸初始损伤孔洞主导了材料的延性起裂.随初始损伤量的增加,大尺寸孔洞的数量和尺寸增加,使孔洞聚合(延性起裂)时的应变降低,这也就是随着预载荷比P0/Pgy的增加,材料的延性起裂韧性Pi/Pgy降低的细观力学原因.     

考虑孔洞大小及分布非均匀性的材料细观损伤

为了研究金属材料中由于夹杂或第二相粒子的存在所形成的孔洞等，细观缺陷的大小及分布的非均匀性对材料损伤演化的影响，建立了孔洞群三维体胞模型，可以在孔洞大小及分布非均匀的情况下对在材料损伤进行有限元模拟计算。计算结果表明：孔洞非均匀性增强了材料局部孔间干涉作用和孔洞的长大，引起材料损伤局部特性不均，因此，非均匀细观结构较均匀化假设更易于造成材料的损伤和破坏；采用常系数q1和q2描述孔间干涉作用是不够准确的，q1及q2是逐渐增大的变化量。     

基于Gurson模型的镁合金板材温热冲压成形研究

在Gurson损伤模型的基础上,采用有限元数值模拟与温热冲压实验相结合的方法,对镁合金板材温热冲压成形过程中的材料损伤过程进行了预测.考虑了板材的塑性各向异性行为,通过用户自定义材料子程序VUMAT将损伤模型嵌入到有限元软件ABAQUS/Explicit中.采用单轴拉伸试验数据与有限元数值模拟结果进行迭代,确定了Gurson模型所需要的材料参数.使用ABAQUS模拟得到了镁合金板材温热冲压过程中微孔洞的演变及分布规律.通过扫描电子显微镜,对不同温度下的AZ31镁合金板材由孔洞增长和聚合引起的内部损伤演化进行了观察分析.研究结果表明,板材中微孔洞的分布与实验数据相吻合,说明本文所提出的方法可以应用于金属板材温热冲压成形性能预测.     

材料损伤断裂中微孔洞的增长

提出了基于无限基体假定的微孔洞增长模型。模型中认为微孔洞增长是周围基体释放的应变能与表面能及周围基体运动的动能之间相互转化的结果。由此得到微孔洞的增长方程，并以OFHC铜与LYl2铝为例进行了计算，得到微孔洞增长的一些一般性规律，与文献[1]的计算结果定性吻合。     

解理断裂微观准则的研究

对三点弯曲预裂纹试样断口形貌、裂尖附近微孔及残留裂纹进行了观察,并用有限元方法计算了裂尖应力应变场。结果表明,解理点距裂尖存在一个最小距离,在此距离内三轴应力度过低,仅能形成微孔而不能形成解理微裂纹,RKR模型中表述的特征距离并不存在。最小韧性取决于在最小距离上满足解理所需的最小载荷。解理的临界事件是由启裂的第二相尺寸的微裂纹向周围基体的扩展。韧性值的分散和脆性粒子在裂央前的随机分布及微观解理断裂应力的波动有关。     

微孔洞在材料表面的深度变化对应力集中及疲劳裂纹萌生的影响规律研究

采用线弹性有限元法模拟分析了微孔洞相对材料表面深度的变化对应力集中及疲劳裂纹萌生的影响,研究结果表明:微孔洞直径尺寸大小仅影响相应的应力集中分布区域的大小,而微孔洞相对材料表面深度的位置决定了其最大应力集中系数的大小.当微孔洞处于材料表面下并与表面相切时,应力集中系数达到最大值,当微孔洞相对材料表面深度的位置偏离此位置时,应力集中系数急剧下降.研究结果合理解释了实验中观察到的疲劳裂纹在微孔洞处萌生现象,即疲劳裂纹优先在与样品表面相切上半部的微孔洞上萌生,尤其在样品表面下且与表面相切的微孔洞处.     

压剪耦合损伤演化方程在混凝土本构模型中的应用

将等效微孔洞体系的概念与有核长大模型的思想相结合,根据有关物理关系通过严格的数学推导,提出了一种脆性材料的压剪耦合损伤演化方程.将该演化方程应用于混凝土脆弹性损伤软化本构模型之中,通过对混凝土一维应力条件下的实验应力应变曲线的优化数值模拟确定了损伤演化方程中的材料参数.研究结果表明,应用含损伤的本构关系和该压剪耦合损伤演化方程能得到损伤随时间变化的曲线,该曲线与采用CT技术观测的混凝土内部微孔洞扩展图像和结果有较好的一致性.所提出的损伤演化方程揭示了脆性材料压剪耦合损伤发展的宏细观机制,为更好地分析计算混凝土的高速贯穿等问题奠定了基础.     

三轴应力场中空穴扩张临界值与材料的微观断裂延性

选用一种球化碳钢的轴对称光滑和不同缺口拉伸试样研究了材料在三轴应力场中的宏、微观断裂延性。基于不同应力三轴性水平下空穴扩张与聚合的特性,给出了一个新的材料微观断裂延性表达式。结合空穴扩张的临界尺寸与断口韧窝几何的三维测量结果,证明了在不同的三轴应力水平下,材料微观断裂延性与实测宏观断裂延性之间均有着良好的一致性。从而揭示了材料断裂延性随应力三轴性水平升高而下降的微观机理。     

焊接力学性能不均匀性对材料延性断裂影响的研究

采用缺口拉伸试样，研究了高匹配焊接接头的力学性能不均匀性对焊缝及母材金属的断裂应变、断裂时的应力三轴性及临界空穴扩张比的影响。研究结果表明：焊接力学不均匀性，对材料的延性断裂行为有强烈的影响。对于母材金属，离焊缝愈近，其断裂应变愈大，而断裂时的应力三轴性愈小。临界空穴扩张比增大。     

带缺口圆试棒的韧性损伤细观力学分析

本文利用修正的 Gurson 塑性势和有限变形理论,建立了有限变形下韧性损伤的弹塑性有限元方程,并给出了一种孔洞体积分数率的演化模型.利用数值方法,详细地研究了缺口试棒的缺口曲率半径对其损伤分布和破坏形式以及应力三轴度的影响.     

韧性断裂的微孔损伤理论分析

在连续损伤、等效应力和热力学的基础上 ,建立了广义的微孔损伤理论模型 ,并用于微孔长大和聚集的分析 理论分析表明 :微孔体积分数与等效应变成指数关系 ,三向应力对微孔的长大和聚集有很大的影响 笔者建立实验的模型和理论相比较 ,可以得到 :随着S值的降低 ,模型由理论模型逐渐转化为实验模型 ,S反映空洞间的相互作用 ,当S <0 .6 5时 ,随着二相粒子体积分数的增加 ,S值增加     

WCF－62钢微观断裂过程的研究

采用不同裂纹深度试样及不同类型缺口试样对ＷＣＦ－６２铜下平台及转变区的微观断裂过程进行了研究。在下平台区，断裂为应力控制的Ｋ主导过程，裂纹及缺口试样解理的临界过程分别为第二相尺寸及贝氏体束宽度的微裂纹向周围基体的扩展。在转变区，随延性裂纹扩展，裂端三轴应力度增加，裂端主应力的提升由应力强化与应变强化两个因素决定，延性裂尖宽度变化及解理点在裂尖前的分布均具有随机性，从而导致韧性值的分散。     

Effect of void nucleation on microstructure and stress state in aluminum alloy tailor-welded blank

The microscopic damage initiation characteristic in welded joint greatly determines the subsequent damage evolution and fracture behavior of aluminum alloy tailor-welded blank(TWB) during plastic forming. In this study, the interactive dependence of void nucleation on microstructure and stress state in the welded joint of a2219 aluminum alloy TWB was quantitatively explored by in-situ SEM testing. Moreover, a micromechanical model based on actual microstructure was adopted to reveal the underlying mechanisms from the perspective of microscopic heterogeneous deformation. The results showed that three void nucleation mechanisms, including particle-cracking, interface-debonding and matrix-cracking, coexisted in the deformation at different microstructure regions and stress states. The nucleation strain of each mechanism mainly depended on the particle volume fraction, grain size and stress triaxiality. Besides, the proportions of particle-cracking and interfacedebonding greatly varied with the grain size and particle volume fraction, and the variation law changed with the stress state. The proportion of matrix-cracking had a weak dependence on the microstructure, while increased with the stress triaxiality decreasing. It made the damage initiation in aluminum alloy welded joint transit from particle-cracking dominance to matrix-cracking dominance with the stress triaxiality decreasing.The micromechanical modeling results suggested that the changes of evolutions and distributions of Mises stress in particle, hydrostatic stress at interface and plastic strain in matrix with microstructure and stress state were responsible for the above effects.     

基于应变路径和分布效应的应力三轴度确定方法

对于延性损伤破坏材料,为了确定缺口试件在拉伸试验中的应力三轴度,建立应力三轴度相关的材料失效破坏函数关系,基于缺口试件在整个拉伸过程中的应变路径和应力三轴度在最小横截面上的分布效应,结合数值模拟,对现有的缺口试件应力三轴度确定方法进行了比较研究,给出了缺口试件更为合理的应力三轴度确定方法。     

In-depth analysis of the fatigue mechanism induced by inclusions for high-strength bearing steels

A numerical study of stress distribution and fatigue behavior in terms of the effect of voids adjacent to inclusions was conducted with finite element modeling simulations under different assumptions.Fatigue mechanisms were also analyzed accordingly.The results showed that the effects of inclusions on fatigue life will distinctly decrease if the mechanical properties are close to those of the steel matrix.For the inclusions,which are tightly bonded with the steel matrix,when the Young’s modulus is larger than that of the steel matrix,the stress will concentrate inside the inclusion;otherwise,the stress will concentrate in the steel matrix.If voids exist on the interface between inclusions and the steel matrix,their effects on the fatigue process differ with their positions relative to the inclusions.The void on one side of an inclusion perpendicular to the fatigue loading direction will aggravate the effect of inclusions on fatigue behavior and lead to a sharp stress concentration.The void on the top of inclusion along the fatigue loading direction will accelerate the debonding between the inclusion and steel matrix.