非比例加載條件下Al2024韌性斷裂形式和機(jī)理研究.pdf

1、在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，材料發(fā)生韌性斷裂導(dǎo)致零件直接報(bào)廢的現(xiàn)象十分常見(jiàn)，因此采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)材料在成形過(guò)程中的起裂位置、起裂時(shí)刻以及裂紋擴(kuò)展方式至關(guān)重要。數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴(lài)于所選取的材料本構(gòu)模型以及韌性斷裂準(zhǔn)則。當(dāng)前大多數(shù)斷裂模型的研究都集中在比例加載條件下，少數(shù)適用于非比例加載條件的斷裂模型也基本上是面向比例加載斷裂模型的擴(kuò)展。由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中材料往往處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，適用于比例加載條件下的韌性斷裂模型在非比例加載條件下的適用性

2、有待進(jìn)一步評(píng)估，非比例加載條件下材料韌性斷裂形式和機(jī)理也有待進(jìn)一步研究。
　　本文設(shè)計(jì)了一組寬應(yīng)力三軸度范圍的非比例加載試驗(yàn)，得到相應(yīng)的載荷-位移/扭角曲線。在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種參數(shù)確定方法，即代數(shù)解析法和曲面擬合法確定的韌性斷裂準(zhǔn)則在比例與非比例加載條件下的適用性進(jìn)行了評(píng)估。運(yùn)用ABAQUS/Explicit及用戶(hù)子程序VUSDFLD，結(jié)合試驗(yàn)確定斷裂起始點(diǎn)，研究復(fù)雜加載條件下斷裂起始點(diǎn)的平均應(yīng)力三軸度、羅德角和等效斷裂應(yīng)變的變化趨

3、勢(shì)，分析了應(yīng)變路徑變化對(duì)斷裂成形極限的影響。觀察三維斷口形貌，分析了非比例加載條件下材料的韌性斷裂機(jī)制。主要研究成果如下：
　　1）相對(duì)于材料參數(shù)單一的韌性斷裂準(zhǔn)則，準(zhǔn)則中的參數(shù)越多曲面擬合自由度較高，由此，曲面擬合法能夠提高斷裂準(zhǔn)則在寬應(yīng)力三軸度范圍的斷裂預(yù)測(cè)精度。然而，兩種方法所確定的斷裂準(zhǔn)則參數(shù)僅在單拉和純扭試驗(yàn)與預(yù)加載較小的非比例試驗(yàn)中有較高的斷裂預(yù)測(cè)精度，且僅在比例加載條件下曲面擬合法的精度優(yōu)于代數(shù)解析法。隨著預(yù)加載的增

4、強(qiáng)，兩種方法確定的斷裂準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)精度不斷降低?？梢?jiàn)，兩種參數(shù)確定方法均不能完全適用于非比例加載條件。
　　2）在同類(lèi)非比例加載試驗(yàn)中，隨著預(yù)加載量的增加，斷裂起始點(diǎn)的平均應(yīng)力三軸度有所降低，一定程度上抑制了第二階段的孔洞長(zhǎng)大，使得最終的等效斷裂應(yīng)變值明顯增大。對(duì)于拉-扭試驗(yàn)，在預(yù)扭階段應(yīng)變沿著純扭趨勢(shì)發(fā)展，而進(jìn)入拉伸階段后應(yīng)變并非沿著單拉的應(yīng)變路徑進(jìn)行變化；對(duì)于壓-扭試驗(yàn)，在預(yù)壓階段應(yīng)變沿著單向壓縮的應(yīng)變路徑變化，而扭轉(zhuǎn)階段則沿著

5、平行于純扭的應(yīng)變路徑變化。
　　3）通過(guò)斷裂試樣三維斷口形貌的觀察，分別從宏觀和微觀上描述了韌性斷裂演化過(guò)程。對(duì)于拉-扭試驗(yàn)，在預(yù)扭階段，孔洞形核并沿著剪切方向逐步拉伸為橢球形；在拉伸階段，孔洞在軸向拉應(yīng)力的作用下逐漸長(zhǎng)大，直至聚集成微裂紋。主導(dǎo)斷裂機(jī)制演變過(guò)程：拉伸型、拉剪混合型到剪切型。對(duì)于壓-扭試驗(yàn)，孔洞形核并在軸向壓應(yīng)力作用變成橢球形；在扭轉(zhuǎn)階段，孔洞在剪切力作用下進(jìn)一步增加，沿著剪切方向繼續(xù)拉長(zhǎng)，孔洞聚集形成許多微小剪切