【摘要】：由于室溫變形能力弱,鎂合金板材在室溫沖壓、旋壓和彎曲等過程中容易產(chǎn)生破裂現(xiàn)象,建立復(fù)雜應(yīng)力下鎂合金板材韌性斷裂有限元預(yù)測模型對(duì)于優(yōu)化其成形工藝具有重要意義。本文以AZ31B鎂合金板材為研究對(duì)象,首先,將考慮了鎂合金微觀塑性變形機(jī)制的粘塑性自洽模型與宏觀有限元模型相耦合,建立適合鎂合金的宏-微觀力學(xué)模型;然后,基于單向拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)研究鎂合金板材的力學(xué)行為及織構(gòu)演變規(guī)律,結(jié)合有限元仿真確定宏-微觀力學(xué)模型中的材料參數(shù),并基于宏-微觀力學(xué)模型對(duì)板材的剪切變形行為進(jìn)行仿真研究,結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型在簡單應(yīng)力下的準(zhǔn)確性;同時(shí),設(shè)計(jì)不同的缺口試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),基于宏-微觀力學(xué)模型仿真輸出其應(yīng)力三軸度、Lode參數(shù)及斷裂等效塑性應(yīng)變,建立韌性斷裂準(zhǔn)則;最后,設(shè)計(jì)帶孔洞的平面應(yīng)力試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),基于宏-微觀力學(xué)模型和韌性斷裂準(zhǔn)則仿真研究板料的破裂行為,結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型在復(fù)雜應(yīng)力下的準(zhǔn)確性。在有限元單元積分點(diǎn)處建立局部坐標(biāo)系,通過ABAQUS子程序求解局部坐標(biāo)系中彈性應(yīng)變及粘塑性應(yīng)變,其中彈性部分通過Jaumann率定義的應(yīng)力增量方式求解,塑性應(yīng)變部分通過調(diào)用粘塑性自洽模型計(jì)算,建立了考慮鎂合金微觀變形機(jī)制的宏-微觀力學(xué)模型,即考慮了微觀基面滑移、柱面滑移、錐面c+a滑移及拉伸孿生等引起的多晶體的宏觀應(yīng)變、應(yīng)變硬化及形變織構(gòu)。對(duì)AZ31B鎂合金板材沿軋向(RD)及法向(ND)單向拉伸與單向壓縮實(shí)驗(yàn)研究,獲得了應(yīng)力應(yīng)變曲線及織構(gòu)演變規(guī)律。合金板材的初始織構(gòu)為典型的板織構(gòu),力學(xué)性能體現(xiàn)出典型的各向異性和拉壓不對(duì)稱性,沿RD拉伸屈服強(qiáng)度比壓縮屈服強(qiáng)度高出約70MPa,沿ND壓縮屈服強(qiáng)度比拉伸屈服強(qiáng)度高出約58MPa;沿RD拉伸屈服強(qiáng)度比沿ND壓縮屈服強(qiáng)度高出約27MPa,沿RD壓縮時(shí)屈服強(qiáng)度比沿ND拉伸屈服強(qiáng)度高出約15MPa;沿RD方向拉伸與沿ND方向壓縮時(shí),力學(xué)曲線表現(xiàn)為“上凸”的形狀;沿RD方向壓縮與沿ND方向拉伸時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“S”形。不同加載路徑下,織構(gòu)演變不同,當(dāng)沿著RD壓縮時(shí),織構(gòu)由初始平行于ND方向偏轉(zhuǎn)為平行于RD;沿ND拉伸時(shí),織構(gòu)由晶粒c軸初始平行于ND偏轉(zhuǎn)為平行于TD;沿RD拉伸及沿ND壓縮時(shí),織構(gòu)沒有發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。通過宏-微觀力學(xué)模型對(duì)單向拉伸和壓縮變形進(jìn)行有限元仿真計(jì)算,與實(shí)驗(yàn)獲得力學(xué)曲線及織構(gòu)相對(duì)比確定了宏-微觀力學(xué)模型中的材料參數(shù),其中基面滑移的初始臨界剪切應(yīng)力28 MPa,穩(wěn)態(tài)臨界剪切應(yīng)力為22 MPa,初始硬化率235 MPa和最終硬化率11 MPa,柱面滑移的初始臨界剪切應(yīng)力89 MPa,穩(wěn)態(tài)臨界剪切應(yīng)力為134MPa,初始硬化率264 MPa和最終硬化率62 MPa;錐面的初始臨界剪切應(yīng)力112 MPa,穩(wěn)態(tài)臨界剪切應(yīng)力為220 MPa,初始硬化率4468 MPa和最終硬化率71 MPa;拉伸孿生的初始臨界剪切應(yīng)力48 MPa,其余為零�；诖_定了材料參數(shù)的宏-微觀力學(xué)模型對(duì)鎂合金板材剪切變形的力學(xué)行為及織構(gòu)演變進(jìn)行仿真,其輸出的剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線和織構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,驗(yàn)證了模型在簡單應(yīng)力下是準(zhǔn)確的。利用缺口試樣的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)合宏-微觀力學(xué)模型仿真結(jié)果建立了AZ31B鎂合金板材的韌性斷裂準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)了棒狀及平面缺口試樣,進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)研究高應(yīng)力三軸度下的力學(xué)行為及斷裂行為;設(shè)計(jì)含剪切變形的平面試樣,進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)研究低應(yīng)力三軸度下的力學(xué)行為及斷裂行為;設(shè)計(jì)不同高徑比的圓棒試樣進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn),研究負(fù)應(yīng)力三軸度下的力學(xué)行為。通過對(duì)斷口形貌分析可知:在低應(yīng)力三軸度下,斷口形貌中含有很多剪切平面;在高應(yīng)力三軸度下,試樣斷口形貌表現(xiàn)為韌窩型斷裂。對(duì)不同試樣進(jìn)行宏-微觀力學(xué)模型仿真輸出織構(gòu)表明,在高應(yīng)力三軸度下織構(gòu)不發(fā)生偏轉(zhuǎn),而在低負(fù)應(yīng)力三軸度下織構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)�；诤�-微觀力學(xué)模型仿真輸出不同試樣的應(yīng)力三軸度、Lode參數(shù)、等效斷裂應(yīng)變等。采用二次多項(xiàng)式及Johnson-Cook函數(shù)擬合了應(yīng)力三軸度與斷裂等效塑性應(yīng)變之間的關(guān)系函數(shù),在高應(yīng)力三軸度下,隨著應(yīng)力三軸度增加,斷裂等效塑性應(yīng)變減小;在低應(yīng)力三軸度下,隨著應(yīng)力三軸度增加,斷裂等效塑性應(yīng)變?cè)黾?在負(fù)應(yīng)力三軸度下,隨著應(yīng)力三軸度增加,等效塑性應(yīng)變減小。分別采用L-H模型及L-H-M模型建立應(yīng)力三軸度、Lode參數(shù)與斷裂等效塑性應(yīng)變之間的三維關(guān)系函數(shù)。通過粒子群優(yōu)化算法求解誤差函數(shù)最小值及最小二乘法擬合,確定L-H模型及L-H-M模型中各個(gè)參數(shù)。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)通過粒子群優(yōu)化算法求解誤差函數(shù)法優(yōu)于最小二乘法求解結(jié)果。最終,以基于粒子群優(yōu)化算法求解誤差函數(shù)確定L-H-M模型的材料參數(shù)為應(yīng)用于鎂合金板材成形中的韌性斷裂準(zhǔn)則。探明加載路徑對(duì)預(yù)制孔洞平面試樣韌性斷裂行為的影響,同時(shí)驗(yàn)證了宏-微觀力學(xué)模型在復(fù)雜應(yīng)力下是準(zhǔn)確的。宏觀斷口形貌上,軋面內(nèi)試樣呈現(xiàn)頸縮型斷裂模式,而縱截面試樣為與試樣橫截面成45°方向剪切聚合導(dǎo)致斷裂。通過宏-微觀模型模擬分析,輸出孔洞在試樣橫截面方向及斜45°方向的應(yīng)力三軸度及斷裂塑性應(yīng)變。通過分析預(yù)制孔洞不同位置的應(yīng)力三軸度與斷裂塑性應(yīng)變關(guān)系發(fā)現(xiàn),在與橫截面成45°的兩個(gè)孔洞之間中心處的應(yīng)力三軸度處于低應(yīng)力三軸度且對(duì)應(yīng)的斷裂等效塑性應(yīng)變較小,在橫截面方向孔洞附近為高應(yīng)力三軸度在韌性斷裂準(zhǔn)則中對(duì)應(yīng)的斷裂等效塑性應(yīng)變比較大。通過韌性斷裂準(zhǔn)則分析可以判斷出造成面內(nèi)試樣斷裂主要是因?yàn)楦邞?yīng)力三軸度下發(fā)生頸縮,而縱截面試樣斷裂是因?yàn)榈蛻?yīng)力三軸度下孔洞剪切聚合。
【圖文】：

1.2.1 滑移滑移是鎂合金主要的塑性變形機(jī)制。在鎂合金中，常見的滑移系按滑移面可以分為基面滑移與非基面滑移（包括柱面與錐面滑移），如圖1-1和表1-1所示。而按滑

孿生類型有：{1012}、{1011}、{1013}等[10, 16, 17]，如圖1-2所示。形變孿生具有極性，即孿生只發(fā)生在單向切變，其激活與加載方向有關(guān)。鎂合金在c軸受拉時(shí)，容易產(chǎn)生{1012} 1011 拉伸孿晶[17]。在c軸受壓應(yīng)變時(shí)，產(chǎn)生{1011} 1012 壓縮孿晶[16]。鎂合金中{1012}拉伸孿晶的切應(yīng)變?yōu)?.129，{1011}壓縮孿晶的切變?yōu)?0.137。在分析研究中，大多數(shù)學(xué)者用旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角度來表示每種孿生類型。在鎂合金中常見的一次孿生{1012}、 、 ，，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角/旋轉(zhuǎn)軸分別為86 / 1210
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.22

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2639812