拉扭加載下金屬材料的塑性行為——屈服面演化的試驗與數(shù)值研究.pdf

1、承受復(fù)雜荷載的工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和零件多用金屬材料制成，要保證它們的安全服役，需要透徹了解復(fù)雜加載條件下金屬材料的塑性行為并建立合理的本構(gòu)模型。由于變形機制的復(fù)雜性，金屬在復(fù)雜加載情形下塑性行為還很難準確描述。原因是現(xiàn)有本構(gòu)模型對屈服面的演化及與之相關(guān)的塑性流動規(guī)律的描述不夠合理，還需在大量的實驗、理論和數(shù)值研究的基礎(chǔ)上加以完善。
　　 本文分別采用單試樣和多試樣方法對45號鋼、多晶銅和多晶鋁進行拉扭復(fù)雜加載條件下屈服面演化規(guī)律的試

2、驗研究。對單試樣和多試樣方法進行了對比分析，探討了用單試樣法測試屈服面的局限性，用大量試樣開展了多試樣法屈服面演化的試驗研究，證明了多試樣法的可靠性。采用Chaboche粘塑性模型，通過對工程實際應(yīng)用材料45號鋼進行了拉扭試驗的宏觀數(shù)值模擬，檢驗了經(jīng)典塑性本構(gòu)模型對屈服面的描述能力。提出了完整試樣宏觀聯(lián)合拉扭模擬結(jié)合三維多晶集合體代表性單元子模型的屈服面演化模擬計算方法，在此基礎(chǔ)上對材料結(jié)構(gòu)相對簡單的多晶銅和多晶鋁材料進行了晶體塑性行為

3、分析的細觀數(shù)值模擬研究。
　　 本文主要研究結(jié)論和創(chuàng)新點總結(jié)如下:
　　 1.對確定材料后繼屈服面的單試樣和多試樣試驗方法開展了比較研究。研究表明，單試樣法屈服點的測試順序和測試點數(shù)對所測得的屈服面的形狀有很大影響。第一測試點與預(yù)加載方向相反時，所得屈服面會出現(xiàn)“內(nèi)凹”現(xiàn)象，反之，則不出現(xiàn)“內(nèi)凹”現(xiàn)象。說明用單試樣法確定的后繼屈服面因測試路徑不同而不同，結(jié)果明顯不合理且與塑性基本理論相悖。而采用多試樣法得到的后繼屈服面不

4、出現(xiàn)“內(nèi)凹”現(xiàn)象，且屈服測試點與加載順序無關(guān)，分散性可控制在一定范圍，理論上合理。本文研究得到了采用多試樣法研究屈服面演化更為合適的結(jié)論，為證實當(dāng)前被國外很多學(xué)者應(yīng)用的單試樣法的不合理性提供了測試實例。
　　 2.采用多試樣試驗方法對45號鋼進行了拉扭加載條件下的后繼屈服面與塑性流動規(guī)律的系統(tǒng)研究。通過研究預(yù)加載路徑、卸載范圍、屈服定義和預(yù)變形程度對屈服面演化規(guī)律的影響，表明后繼屈服面的“尖角”方向與預(yù)加載方向相同，在預(yù)加載相反

5、方向屈服面趨于扁平。屈服定義和預(yù)加載路徑對屈服面的形狀和塑性流動方向均有顯著影響，目標平移應(yīng)變較大的屈服定義所得屈服面較接近圓柱面，且塑性流動方向與屈服面近似正交。平移應(yīng)變越小，所得屈服面越小、“尖角”現(xiàn)象越顯著，且塑性流動方向與屈服面正交方向的偏離角越大。這一結(jié)論表明經(jīng)典塑性理論對屈服面形狀的描述在塑性變形較小時與實際情形有較大誤差，不利于疲勞分析。
　　 3.探討了Chaboche模型關(guān)于背應(yīng)力和屈服半徑描述的合理性。推導(dǎo)了

6、考慮粘塑性和非線性硬化的本構(gòu)模型隱式積分算法，在此基礎(chǔ)上編寫了ABAQUS/UMAT材料用戶子程序。用它對45號鋼的單軸拉伸和不同應(yīng)變幅拉壓循環(huán)試驗進行了數(shù)值模擬，從宏觀角度探討了多試樣法測試45號鋼后繼屈服面的過程。研究結(jié)果表明:Chaboche塑性本構(gòu)模型能夠描述較大平移應(yīng)變定義的屈服面的膨脹和移動，但不能描述小平移應(yīng)變定義的屈服面的“尖角”、“鈍尾”等形狀演變的現(xiàn)象。
　　 4.提出了完整試樣宏觀聯(lián)合拉扭模擬結(jié)合三維多晶集

7、合體代表性單元子模型的屈服面演化模擬計算方法:首先采用宏觀彈塑性本構(gòu)模型模擬試樣尺度上的力學(xué)響應(yīng)，得到試樣指定位置處子模型多晶集合體代表性單元的位移邊界條件，運用晶體塑性本構(gòu)模型對多晶集合體代表性單元的力學(xué)行為進行分析。該子模型計算方法實現(xiàn)了宏觀試樣尺度與晶粒尺度的跨尺度分析，降低了材料力學(xué)行為模擬的計算量，能描述細觀尺度上材料非均勻變形的行為和過程。
　　 5.針對預(yù)拉伸和預(yù)扭轉(zhuǎn)變形后的拉扭組合試驗，用子模型法建立多晶集合體單

8、元，結(jié)合晶體塑性理論對多晶銅進行了晶粒尺度的屈服特性研究，探討不同加載路徑和不同屈服點定義對材料后繼屈服描述的影響;通過對不同加載路徑多晶銅非均勻性的統(tǒng)計分析，探討加載歷史對多晶材料細觀塑性變形不均勻性的影響。對試驗的數(shù)值計算表明，運用子模型的晶體塑性模擬與后繼屈服試驗的實測結(jié)果有較好的吻合。
　　 6.結(jié)合對多晶鋁進行的復(fù)雜循環(huán)加載下后繼屈服面試驗研究，考慮非線性運動硬化，用多晶集合體代表性單元結(jié)合子模型的計算方法實現(xiàn)了后繼屈