铸造镁合金弹塑性变形的多尺度模型研究

摘要

近年来，人们越来越认识到材料的宏观变形特性与不同尺度下的变形特性有着密切的关系。在不同尺度下研究材料和结构变形与破坏的定量关系，正引起人们的广泛重视，成为当前国际上固体力学和材料科学研究的热点。由于镁合金在生产工艺中容易形成微结构的缺陷如：缩孔、夹杂、结晶过程中形成的树状结晶臂等，使得材料在循环载荷下容易引起疲劳破坏。也由于这些微缺陷的存在，使得材料的破坏与基体镁的变形和缺陷含量、尺寸、分布、形状及机械性能息息相关。要获得在给定载荷下这些在宏观、细观、微观、亚微观及原子尺度下相关力学量的信息，关键在于了解各组分相中的微结构，形貌与特性及晶界等对材料与破坏的影响。因而必须开展多尺度分析模型与方法的研究。只有在这一力学/材料交叉学科基础性的研究领域取得实质性进展后，才能在材料微结构的设计，发展性能优越的高强韧材料，及材料科学的定量化方面取得新的突破。 本文根据镁合金材料的微结构性能选取相应的单元，建立跨微观、细观与宏观三个尺度力学分析的模型结合实用有效的分析方法，以实现应力与应变等力学量跨不同尺度的定量转换；在此基础上进行微观与细观结构应力与应变的分析，以研究微结构区非均匀性及材料各向异性对其变形，损伤与破坏的影响。我们不仅要通过这种跨尺度的分析获得与微结构分析相协调的材料的非线性本构关系，更将重点放在对复杂微结构，如夹杂、缺陷、孔隙、杂质、裂纹多相介质等的应力应变分析及其影响因素上。 在细观结构单元体中考虑的是基体和夹杂(或孔洞)的混合体；同时将夹杂与基体分成不同的材料组元，分别定义材料的特性，使得分析能进入微观结构。且由于有限元网格划分上采用了分别划分单元的模式，使得分析的计算工作量大大减少，便于在实际工程中推广应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1镁合金的应用和局限性

1.1.1引言

1.1.2镁合金在交通领域中的应用

1.1.3镁合金在3C领域中的应用

1.1.4镁合金在航天航空领域中的应用

1.1.5镁合金应用的局限性

1.2多尺度分析方法

1.2.1引论

1.2.2国外研究状况

1.2.3国内研究状况

1.3本文的研究目的和研究内容

1.3.1本文的研究目的

1.3.2本文研究的主要内容

1.4本文的研究方法

1.4.1建立多尺度总体框架及其数值分析方法

1.4.2复杂微结构的细观单元体有效本构关系的研究及计算方法

2试验设计及结果分析

2.1试验设计

2.1.1试验装置

2.1.2试验材料

2.2镁合金AM60简单拉伸试验及结果分析

2.2.1 AM60简单拉伸试验

2.2.2纯镁基体试验及结果

2.2.3试验结果

2.2.4结果分析

3弹塑性变形的多尺度分析方法

3.1弹塑性模型的多尺度分析方法

3.1.1引论

3.1.2力学物理量多尺度之间的转换关系

3.2本章小节

4单相弹塑性材料多尺度分析

4.1有限元模型

4.2单向拉伸条件下多尺度分析

4.2.1边界条件

4.2.2材料参数

4.2.3载荷条件

4.2.4计算结果及分析

4.3循环载荷条件下数值模拟

4.3.1边界条件和材料参数

4.3.2载荷条件

4.3.3计算结果及分析

4.4本章小结

5含孔洞镁合金材料弹塑性模型多尺度分析

5.1有限元模型

5.2单向拉伸载荷下多尺度分析

5.2.1边界条件

5.2.2材料参数

5.2.3载荷条件

5.2.4计算结果及分析

5.3循环载荷条件下数值模拟

5.3.1边界条件和材料参数

5.3.2载荷条件

5.3.3计算结果及分析

5.4本章小结

6含夹杂镁合金材料弹塑性模型多尺度分析

6.1有限元模型

6.2单向拉伸载荷下多尺度分析

6.2.1材料性质

6.2.2载荷及边界条件

6.2.3计算结果及分析

6.3本章小结

7结论与展望

7.1本文研究的主要结论

7.2对未来研究工作的展望

致谢

参考文献

附录