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，對金屬材料力學性能的要也求隨之越來越高，如何更好地揭示金屬材料的塑性變形機理對于研究金屬材料的力學性能有著重要的意義。在研究材料的塑性變形時，宏觀唯象實驗和經(jīng)典塑性理論無法考慮到材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化和變形的不均勻性，當面對考慮金屬材料各向異性以及研究材料內(nèi)部的變形機理時就顯得相對比較乏力，晶體塑性理論卻在這個方面有著得天獨厚的的優(yōu)勢。因而，本文在前人理論的基礎(chǔ)上采用了針對具有面心立方晶(

2、FCC)結(jié)構(gòu)金屬材料的晶體塑性循環(huán)本構(gòu)模型，該模型同時考慮了各向同性硬化、非線性隨動硬化，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)模型用來描述具有面心立方晶(FCC)的金屬材料在塑性變形過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，如何較為真實地反映材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特點，即晶粒的大小、形狀和空間位置均具有隨機性，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空間排布特點（單元編號順序的排列規(guī)律），直接依次求取每一個單元體形心坐標的建模方法，該方法首先是通過MATLAB中的MATLAB-MPT工具箱編程得到三維Voronoi圖的幾何拓撲信息，然后依據(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軟件平臺編寫了FORTRAN程序把晶粒的數(shù)目、取向、其它材料參數(shù)以及每個晶粒所包含的單元等信息一并寫入三維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?？紤]到FCC面心立方晶的結(jié)構(gòu)特點，采用了以位錯和滑移為變形機制的細觀塑性循環(huán)本構(gòu)模型，該滑移應

5、變率模型同時考慮了非線性隨動硬化和各向同性硬化的影響。其中，非線性隨動硬化由經(jīng)典的Armstrong-Frederick(A-F)模型演化而來，其反映了背應力率與滑移應變率的之間的關(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等人提出來的硬化模型基礎(chǔ)上進行了線性簡化。針對本構(gòu)模型的求解，首先對本構(gòu)模型進行離散化，采用應力積分算法進行本構(gòu)模型的推導，通過顯式求解和隱式求解相結(jié)合的方法，其

6、中顯式求得滑移應變增量的解作為后續(xù)隱式Newton-Raphson迭代的初解，并將隱式求得的解作為滑移應變增量的最終解。
　　3.晶體塑性循環(huán)本構(gòu)模型的有限元實現(xiàn)。本文通過以編寫UMAT用戶定義子程序的方式，將上述所采用的本構(gòu)模型移植到ABAQUS有限元分析軟件中，成功地實現(xiàn)了UMAT子程序和ABAQUS主程序之間的數(shù)據(jù)交流。為了驗證本構(gòu)模型和多晶體有限元模型的有效性，對軋制5083H111鋁合金板材處在室溫環(huán)境下進行了常規(guī)力學性

7、能的有限元模擬且與相應的實驗結(jié)果進行了對比分析。其中，在后處理部分多處采用編寫Python腳本文件的方式，來獲取和處理輸出數(shù)據(jù)庫.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有限元分析過程中的表觀應力、表觀應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，對多晶體內(nèi)部每一個單元在某個增量步時的應力、應變大小的獲取。
　　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(CDM)和晶體滑移系理論(CSS)，在前

8、人損傷演化模型的基礎(chǔ)上添加了一項可控制損傷何時發(fā)生的啟動項，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)模型用來描述具有面心立方晶(FCC)的金屬材料在塑性變形過程中伴隨的延性損傷。此處，采用一個二階張量作為損傷變量來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變量門檻值γsth、有效應力的三個主應力大小、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