金屬材料塑性變形的不均性及損傷研究.pdf

1、隨著人們生活水平的逐漸提高和科技水平的飛速發(fā)展，對(duì)金屬材料力學(xué)性能的要也求隨之越來(lái)越高，如何更好地揭示金屬材料的塑性變形機(jī)理對(duì)于研究金屬材料的力學(xué)性能有著重要的意義。在研究材料的塑性變形時(shí)，宏觀唯象實(shí)驗(yàn)和經(jīng)典塑性理論無(wú)法考慮到材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化和變形的不均勻性，當(dāng)面對(duì)考慮金屬材料各向異性以及研究材料內(nèi)部的變形機(jī)理時(shí)就顯得相對(duì)比較乏力，晶體塑性理論卻在這個(gè)方面有著得天獨(dú)厚的的優(yōu)勢(shì)。因而，本文在前人理論的基礎(chǔ)上采用了針對(duì)具有面心立方晶(

2、FCC)結(jié)構(gòu)金屬材料的晶體塑性循環(huán)本構(gòu)模型，該模型同時(shí)考慮了各向同性硬化、非線性隨動(dòng)硬化，并用該模型研究了具有面心立方晶(FCC)的金屬材料的力學(xué)性能。為了能夠描述金屬材料塑性變形的各向異性損傷演化規(guī)律，本文最后一章又在該晶體塑性本構(gòu)模型基礎(chǔ)上繼承與發(fā)展了一種晶體塑性耦合損傷的本構(gòu)模型用來(lái)描述具有面心立方晶(FCC)的金屬材料在塑性變形過(guò)程中伴隨的延性損傷。論文所做出的主要工作和創(chuàng)新如下:
　　1.三維Voronoi多晶體有限元模

3、型的建立。多晶體有限元模型的建立是有限元分析的前提，如何較為真實(shí)地反映材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即晶粒的大小、形狀和空間位置均具有隨機(jī)性，本文在前人理論的基礎(chǔ)上提出了一種基于Voronoi圖原理并結(jié)合多晶體有限元模型單元編號(hào)空間排布特點(diǎn)（單元編號(hào)順序的排列規(guī)律），直接依次求取每一個(gè)單元體形心坐標(biāo)的建模方法，該方法首先是通過(guò)MATLAB中的MATLAB-MPT工具箱編程得到三維Voronoi圖的幾何拓?fù)湫畔ⅲ缓笠罁?jù)該信息在ABAQUS中建

4、立了相同大小的三維Voronoi多晶體有限元模型。接著，借助VS2010軟件平臺(tái)編寫(xiě)了FORTRAN程序把晶粒的數(shù)目、取向、其它材料參數(shù)以及每個(gè)晶粒所包含的單元等信息一并寫(xiě)入三維Voronoi多晶體有限元模型INP文件里，最終便可獲得包含材料屬性的三維Voronoi多晶體有限元模型。
　　2.FCC面心立方晶塑性循環(huán)本構(gòu)模型的求解與推導(dǎo)?？紤]到FCC面心立方晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了以位錯(cuò)和滑移為變形機(jī)制的細(xì)觀塑性循環(huán)本構(gòu)模型，該滑移應(yīng)

5、變率模型同時(shí)考慮了非線性隨動(dòng)硬化和各向同性硬化的影響。其中，非線性隨動(dòng)硬化由經(jīng)典的Armstrong-Frederick(A-F)模型演化而來(lái)，其反映了背應(yīng)力率與滑移應(yīng)變率的之間的關(guān)系。各向同性硬化綜合考慮了自硬化與潛硬化模量的差異，在Hill、Hutchinson和Asaro等人提出來(lái)的硬化模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了線性簡(jiǎn)化。針對(duì)本構(gòu)模型的求解，首先對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行離散化，采用應(yīng)力積分算法進(jìn)行本構(gòu)模型的推導(dǎo)，通過(guò)顯式求解和隱式求解相結(jié)合的方法，其

6、中顯式求得滑移應(yīng)變?cè)隽康慕庾鳛楹罄m(xù)隱式Newton-Raphson迭代的初解，并將隱式求得的解作為滑移應(yīng)變?cè)隽康淖罱K解。
　　3.晶體塑性循環(huán)本構(gòu)模型的有限元實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)以編寫(xiě)UMAT用戶(hù)定義子程序的方式，將上述所采用的本構(gòu)模型移植到ABAQUS有限元分析軟件中，成功地實(shí)現(xiàn)了UMAT子程序和ABAQUS主程序之間的數(shù)據(jù)交流。為了驗(yàn)證本構(gòu)模型和多晶體有限元模型的有效性，對(duì)軋制5083H111鋁合金板材處在室溫環(huán)境下進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)性

7、能的有限元模擬且與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。其中，在后處理部分多處采用編寫(xiě)Python腳本文件的方式，來(lái)獲取和處理輸出數(shù)據(jù)庫(kù).odb文件中的相關(guān)數(shù)據(jù)，尤其是多晶體有限元模型在整個(gè)有限元分析過(guò)程中的表觀應(yīng)力、表觀應(yīng)變等變量大小的處理、以及后續(xù)為了揭示多晶體內(nèi)部變形不均勻性，對(duì)多晶體內(nèi)部每一個(gè)單元在某個(gè)增量步時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變大小的獲取。
　　4.損傷演化模型的繼承與發(fā)展。本文基于連續(xù)損傷力學(xué)(CDM)和晶體滑移系理論(CSS)，在前

8、人損傷演化模型的基礎(chǔ)上添加了一項(xiàng)可控制損傷何時(shí)發(fā)生的啟動(dòng)項(xiàng)，并且結(jié)合本文第三章所采用的晶體塑性循環(huán)本構(gòu)模型共同構(gòu)成了晶體塑性耦合損傷的本構(gòu)模型用來(lái)描述具有面心立方晶(FCC)的金屬材料在塑性變形過(guò)程中伴隨的延性損傷。此處，采用一個(gè)二階張量作為損傷變量來(lái)表征損傷的各向異性，該損傷演化模型與全部滑移系的累積滑移應(yīng)變量門(mén)檻值γsth、有效應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力大小、材料參數(shù)α、β、n等有著十分密切的聯(lián)系。
　　5.晶體塑性耦合損傷的本構(gòu)模型的