金属材料后继屈服面演化的实验与晶体塑性数值研究

摘要

承受复杂荷载的金属结构在服役过程中不可避免会产生塑性变形，需要透彻了解金属材料在复杂加载条件下的塑性行为并建立合理的本构模型，以确保服役安全。要合理准确地计算塑性变形，很大程度上要依赖屈服面能否得到合理描述。但是大量研究表明，经典宏观本构模型对塑性变形过程中屈服面的演化及与之相关的塑性流动规律的描述，与实验观测结果是有很大差异的，因此为能更好地描述金属结构在实际工程中的塑性破坏行为，有必要进行更深入的研究。
　　为测试材料经历不同预变形的后继屈服面，探讨其演化规律，本文采用纯铜薄壁圆管试样，分别采用单试样法和多试样法从不同测点数目、测试顺序、不同指定平移应变造成的影响以及实测屈服面出现内凹现象等方面进行了研究，并分析了两种测试方法的合理性与有效性。在此基础上，采用Chaboche宏观塑性本构模型模拟多试样法测试后继屈服面，探讨其对屈服面描述的适用范围、不足与局限性;采用能反映Bauschinger效应的晶体塑性本构模型，结合满足周期性边界条件的代表性单元模型及能反映多晶材料变形特征与真实试验相一致的整体试样有限元模型，来模拟单试样法和多试样法实测屈服面过程，对采用薄壁圆管试件测试后继屈服面从实验与数值模拟上都出现内凹，与经典塑性理论由Drucker公设导出屈服面外凸的基本推论相违背这一问题及原因进行探讨分析;分别从材料微元及结构性整体试件两种不同尺度上进行塑性行为分析的数值研究。
　　研究主要取得了以下进展:
　　1.通过系统的单试样法和多试样法测试研究，发现无论采用哪种方法，实测后继屈服面都与经典塑性理论建议的屈服面都有很大差异。
　　2.发现两种方法测得的后继屈服面的形状和大小也有明显差异，单试样法测试结果对测试点数、路径和顺序很敏感，而多试样法测试结果则不会受到以上因素的影响，在试样间材质差异较小的情况下，用多试样法测试比单试样法更合理、可靠。
　　3.测试结果发现Chaboche模型能够描述后继屈服面在应力空间的移动和胀缩，但无法反映小平移应变来定义的屈服面形状（曲率）的改变，对于用较大平移应变来定义的后继屈服面的演化，用经典Chaboche宏观塑性本构模型来描述是可以接受的。
　　4.采用代表性单元体模型结合晶体塑性计算对T2纯铜进行在不同单调预加载及循环加载下的多试样法后继屈服面模拟测试，再现了与实测相同的后继屈服面的演化规律，但模拟所测试的后继屈服面不会出现内凹现象。结论与经典塑性理论由Drucker公设在均匀材料基础上导出屈服面外凸的推论是相吻合的。
　　5.采用空心薄壁圆管整体试件有限元模型结合晶体塑性计算对不同预加载的单试样法与多试样法后继屈服面测试进行的模拟可再现真实试验过程，模拟后继屈服面测试的演化过程与实测一致，都出现了与经典塑性理论相悖的内凹现象.
　　6.整体试件模型晶体塑性模拟测试与真实试件实测的后继屈服面不满足外凸性，而多晶单元体模型模拟测试结果在“屈服面外凸”这一点与经典塑性理论一致，表明薄壁圆管试件测试后继屈服面出现内凹主要是试件的结构响应所导致。
　　这一研究证实了采用晶体塑性本构模型模拟能再现屈服面实验过程，并能合理反映金属材料的真实细观变形机制以及描述屈服面演化的能力。通过对比不同测试方法的试验结果结合两种有限元模型的模拟结果进行分析，给出了薄壁圆管试件测试后继屈服面出现凹点的合理解释。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 现有屈服面试验及塑性理论研究

1．2．1 屈服面测试定义屈服的方法

1．2．2 屈服面测试方法的影响

1．2．3 屈服面测试与预加载条件、卸载路径的关联性研究

1．2．4 经典塑性理论及晶体塑性理论研究

1．3 本文的研究工作

第二章 多晶铜后继屈服面试验的单试样法测试与结果分析

2．1 材料与试验仪器

2．2 后继屈服面测试的单试样法

2．2．1 屈服点定义方法

2．2．2 单试样的后继屈服面试验方法

2．2．3 屈服面试验数据处理

2．3 单试样法初始屈服面测试的试验研究

2．4 单试样法测试后继屈服面试验研究

2．4．1 不同预加载路径及预加载程度的单试样法后继屈服面试验

2．4．2 循环加载下不同卸载位置单试样法后继屈服面试验研究

2．5 单试样法测试后继屈服面合理性研究

2．5．1 测点数不同导致单试样法后继屈服面测试的差异性

2．5．2 测试顺序不同导致单试样法后继屈服面测试的差异性

2．6 单试样法实测后继屈服面出现内凹现象的讨论

2．7 本章小结

第三章 多试样法后继屈服面试验与宏观本构分析

3．1 多试样法初始屈服面测试

3．1．1 多试样法初始屈服面测试方法与测试结果

3．1．2 初始屈服面多试样法与单试样法测试结果比较

3．2 多试样法后继屈服面试验研究

3．2．1 试样力学性能差异性统计分析

3．2．2 历经不同预变形后的多试样法后继屈服面试验

3．2．3 循环加载下不同卸载位置多试样法后继屈服面试验

3．3 单试样法与多试样法测定结果的比较

3．4 实测后继屈服面出现内凹现象的讨论

3．5 多试样法后继屈服面塑性流动分析

3．6 Chaboche模型对多试样法后继屈服面模拟分析

3．6．1 Chaboche本构模型介绍

3．6．2 Chaboche模型材料参数的确定

3．6．3 有限元模型的建立与多试样法后继屈服面模拟

3．7 本章小结

第四章 晶体塑性结合代表性单元模型的屈服面数值分析

4．1 T2铜晶体结构

4．2 考虑背应力演化的晶体黏塑性本构模型

4．2．1 考虑非线性随动硬化的晶体黏塑性本构

4．2．2 晶体黏塑性本构关系计算方法

4．3 代表性单元体(RVE)的建立及其边界条件

4．4 晶体黏塑性本构模型参数的确定

4．5 采用代表性单元对多晶铜多试样法后继屈服面的模拟与分析

4．5．1 不同预加载路径下代表性单元体变形非均匀性讨论

4．5．2 代表性单元体模拟多试样法后继屈服面计算方法

4．6 本章小结

第五章 晶体塑性结合整体试样模型模拟屈服面测试

5．1 模拟试样模型

5．2 不同预变形下单试样法后继屈服面的实测与晶体塑性模拟比较

5．2．1 测试点数目对单试样法测试的影响

5．2．2 测点顺序对单试样法测试的影响

5．2．3 多试样法测试的影响

5．2．4 多试样法测试与单试样比较

5．2．5 晶体塑性代表性单元模型与整体试样模型数值模拟结果与试验结果比较

5．2．5 内凹现象讨论

5．3 本章小结

6．1 全文总结

6．2 本文创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况

攻读学位期间参与的科研工作及获奖