金属成形中韧性断裂准则的细观损伤力学研究进展

随着韧性材料内细观损伤发展机制的深入研究,细观损伤力学在预测金属材料发生韧性断裂的过程中发挥着越来越重要的作用.与传统的宏观断裂力学不同,细观损伤力学侧重于研究材料内细观损伤的演化对于材料宏观断裂的影响.介绍了细观损伤力学发展的背景;阐述了细观损伤力学的研究现状;探讨了细观损伤力学发展过程中所面临的一些问题和应变梯度塑性理论对于细观损伤力学发展的推动作用.     

基于细观损伤理论的刚塑性有限元方程

有限元软件一般将变形体当作致密体进行分析,很少考虑金属空穴损伤对成形极限的影响．基于Ｇｕｒｓｏｎ－Ｔｖｅｒｇａａｒｄ空穴型材料塑性势方程,利用正交法则在刚塑性材料的Ｌｅｖｙ－Ｍｉｓｅｓ流动规则中引入了空穴损伤对应力－应变率场的影响,给出了空穴增长率计算方法,推证了含空穴材料的刚塑性变分原理与含有空穴体积分数的有限元列式,考虑了空穴体积扩张对成形过程的影响．为研究体积成形时材料损伤、裂纹起裂及扩展奠定了基础．     

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     

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.     

基于多孔洞体胞模型的韧性材料损伤机制

分别采用含100、50和25个随机分布微孔洞体胞模型,对体胞内应力分布和孔洞长大规律进行统计分析,在此基础上讨论采用含25个随机分布微孔洞体胞模型作为宏观材料代表性单元(RVE)来研究材料损伤机制的合理性,并对变形过程中体胞内各微孔洞演化过程进行了研究.结果表明:由于体胞内微孔洞的随机分布,造成孔洞周围基体材料最大三轴应力参数增加,从而导致该孔洞的快速增长,并带动周围微孔洞快速增长,这种孔洞的快速长大链式反应导致在很短的时间材料内出现大量微孔洞,并聚合形成微裂纹,直至试样最后失效,该结果较清楚解释了韧性材料圆棒试样只在颈缩阶段才会产生大量的微孔洞的试验现象的原因.含随机分布多微孔洞体胞模型能够用于分析周期分布微孔洞体胞模型无法反映的体胞内微孔洞非均匀发展的过程,因此更适合于研究韧性材料的损伤破坏机制.     

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.     

糜棱岩成因的细观损伤力学模型

文章提出了一个糜棱岩成因的孔洞损伤力学体胞模型。糜棱岩原岩在糜棱化过程中经历了2个主要阶段:即由流动构造引起的韧性孔洞损伤阶段和孔洞损伤所形成的多孔介质受局部低围压高轴压作用发生的韧带破碎阶段。基于该体胞模型,对一具体的糜棱岩原岩———花岗岩,用有限元法就其糜棱化全过程进行了初步模型分析和数值模拟,发现在糜棱岩产出的地应力条件下,多孔介质韧带破碎是完全可能发生的。     

基于微孔洞细观损伤模型的金属剪切失效分析

针对GTN模型不能模拟剪切破坏这一缺陷,基于Nahshon和Hutchinson的修正,在隐式有限元过程中开发了同时适用于拉伸和剪切断裂模式的细观损伤材料本构.首先,推导了适用于修正后损伤本构的全隐式数值积分公式和一致性切线模量,给出了UMAT子程序的计算流程;然后,采用一个单元分别施加拉伸和剪切边界条件,验证了细观损伤材料本构的有效性;最后,分析了薄壁结构在扭转载荷下的弹塑性响应.与试验结果的对比研究表明:修正的细观损伤模型能够较好地预测出延性材料的剪切损伤演化过程.     

精冲过程的韧性断裂

金属塑性加工时，材料内部会出现应变集中和空穴长大两种损伤，导致材料的承载能力下降与丧失．分析了精密冲裁时均匀塑性流动形成光洁表面以及空穴长大引起的断面撕裂现象，从材料细观损伤角度阐明了精冲原理，比较了精冲与普通冲裁两种不同的材料分离机制，并对精冲过程的数值模拟结果进行了讨论．     

一种延性材料的统计损伤演化模型

通过对微孔洞成核,成长过程的合理简化,建立了微孔洞演化的控制方程,得到了延性材料微孔洞数密度及损伤演伤方程的解析式。据此讨论了孔洞成核和成长对损伤演化的作用,为连续损伤理论的唯象描述提供了有参考价值的分析。提出了统计损伤与连续损伤理论相结合的损伤演化模型的锥形。     

适应于材料深拉延的延性损伤模型及其应用

以弹塑性有限元基本方程为基础,引入等效应变并采用与弹性损伤模量相关的塑性流动法则,得到对称弹塑性损伤刚度矩阵,根据损伤应变能释放率与损伤变量的对偶关系,提出损伤耗散势的幂率形式,导出了损伤演化规律,将此理论方法用于圆盘的深拉延数值分析,给出由损伤所引起的材料性能退化对冲头力的影响,得出损伤演化规律。     

Ductile fracture behavior of TA15 titanium alloy at elevated temperatures

To better understand the fracture behavior of TA15 titanium alloy during hot forming, three groups of experiments were conducted to investigate the influence of deformation temperature, strain rate, initial microstructure, and stress triaxiality on the fracture behavior of TA15 titanium alloy. The microstructure and fracture surface of the alloy were observed by scanning electronic microscopy to analyze the potential fracture mechanisms under the experimental deformation conditions. The experimental results indicate that the fracture strain increases with increasing deformation temperature, decreasing strain rate, and decreasing stress triaxiality. Fracture is mainly caused by the nucleation, growth, and coalescence of microvoids because of the breakdown of compatibility requirements at the α/β interface. In the equiaxed microstructure, the fracture strain decreases with decreasing volume fraction of the primary α-phase (α_p) and increasing α/β-interface length. In the bimodal microstructure, the fracture strain is mainly affected by α-lamella width.     

精冲断裂过程的有限元模拟

从材料细观损伤角度对精冲原理进行了研究．开发了基于空穴材料的刚塑性有限元分析系统，该系统可以估算精冲材料的损伤状态，判断材料失效并模拟裂纹的扩展与汇合状况．利用该系统模拟了精冲过程中塑性变形与韧性断裂现象，预测工件断面光亮带高度，研究凸凹模间隙与剪切面质量关系，并与试验数据进行了对比．研究发现，凸凹模间隙与工件剩余厚度之比是影响断面质量的关键因素．     

一种新的缺口件疲劳寿命分布计算模型

提出了一种新的缺口件疲劳寿命分布计算模型。该模型将影响缺口件疲劳寿命分布的因素分成微观结构的不均匀性和缺口根部局部应力应变的分散性两部分,并选择应力场强作为局部应力应变量。前一部分的影响可参考光滑试件的疲劳寿命试验数据获得,后一部分的影响通过蒙特卡洛随机有限元法计算得到,最后将两部分的影响有机结合起来,得到缺口件的疲劳寿命分布。进行了材料LY12CZ的中心孔缺口件的寿命分布算例分析,预测结果与试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。