球墨铸铁QT600在不同应力状态下断裂的试验与数值研究

摘要

针对球墨铸铁QT600，设计了一系列不同尺寸和几何形状的圆棒、薄壁圆管、板状及缺口试样，对光滑实心圆棒、缺口实心圆棒、缺口平板和中心孔板试样进行单轴拉伸试验以及对薄壁圆管试样进行扭转试验，获得了试样的荷载-位移曲线，并测试了材料在不同应力状态下的断裂应变;通过对试样变形过程的观测，用光学显微镜确定了试样的启裂位置。结合观测球墨铸铁金相组织，采用Matlab编写程序对球墨铸铁金相进行了定量金相分析，针对球墨铸铁金相组织的不同因素讨论其球墨铸铁力学性能的影响;使用光学显微镜和扫描电镜系统对试样断口形貌进行观测，根据试样宏微观断口讨论不同试样的断裂形式，为研究材料在复杂应力状态下破坏提供依据。然后采用ABAQUS有限元分析软件进行弹塑性大变形数值模拟计算分析，结合数值模拟与显微观测结果，确定了不同试样启裂点位置的应力状态参数，进一步探讨了断裂应变与应力三轴度之间的关系。
　　通过研究，得到的主要结论有:
　　(1)根据拉伸和扭转试验与数值模拟分析，拉伸和扭转的等效应力应变曲线基本相同。
　　(2)根据本文的试验与数值模拟结果可知，缺口实心圆棒试样断裂应变随着应力三轴度的升高而降低，与GTN模型描述由孔洞模型韧性材料破坏规律相符合，而缺口平板试样和中心孔板试样的破坏规律与GTN模型描述的断裂应变与应力三轴度的规律不相符。
　　(3)对断裂应变相同而应力三轴度不同的情形，发现Lode参数相差较大，可判定Lode参数是影响材料断裂的重要因素。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 球墨铸铁的背景及研究意义

1．1．1 球墨铸铁介绍

1．1．2 球墨铸铁的应用

1．1．3 球墨铸铁研究现状

1．2 定量金相分析国内外研究现状

1．3 韧性材料破坏理论的发展和研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 材料力学性能及弹塑性本构模型参数的确定

2．1 引言

2．2 试验准备

2．2．1 材料力学性能及其几何尺寸

2．2．2 试验设备及加载过程

2．3 材料力学性能测定

2．4 试样几何因素对延伸率的影响

2．5 材料本构关系的确定

2．6 材料模型弹塑性参数的确定

2．6．1 单轴拉伸荷载下材料弹塑性模型参数的获取

2．6．2 纯扭转荷载下材料弹塑性模型参数的获取

2．6．3 数值模拟计算分析

2．7 本章小结

第三章 单轴拉伸破坏试验

3．1 引言

3．2 缺口实心圆棒试样试验与分析

3．3 缺口平板试样试验与分析

3．3 中心孔板试样试验与分析

3．4 本章结论

第四章 球墨铸铁定量金相分析

4．1 引言

4．2 球墨铸铁金相观测试样制备

4．3 球墨铸铁金相图像处理分析

4．4 球墨铸铁定量金相分析

4．4．1 体积分数测定

4．4．2 石墨颗粒球化率评定

4．4．3 石墨颗粒分布距离

4．4．4．石差颗粒非均匀性分析

4．5 本章小结

第五章 不同试样的断口分析

5．1 引言

5．2 不同试样的断口分析

5．2．1 光滑试样与缺口实心圆棒试样断口分析

5．2．2 缺口平板试样断口分析

5．2．3 中心孔板试样断口分析

5．3 本章小结

第六章 结合数值模拟与试验分析应力状态对破坏的影响

6．1 引言

6．2 各种试样有限元模型建立

6．2．1 网格划分

6．2．2 加载方式及边界条件的确定

6．3．3 材料属性及分析步的确定

6．3 数值模拟分析结果与试验结果的对比

6．4 应力状态参数

6．5 实心圆棒试样的应力状态分析

6．5．1 实心圆棒试样启裂点在拉伸变形中应力三轴度的变化

6．5．2 启裂时刻应力状态参数、应变和总孔洞体积分数分析

6．6 缺口平板试样的应力状态分析

6．6．1 缺口平板试样启裂点在拉伸变形中应力三轴度的变化

6．6．2 启裂时刻应力状态参数、应变和总孔洞体积分数分析

6．7 中心孔板试样的应力状态分析

6．7．1 中心孔板试样启裂点在拉伸变形中应力三轴度的变化

6．7．2 启裂时刻应力状态参数、应变和总孑L洞体积分数分析

6．8 材料断裂应变与应力三轴度的关系分析

6．9 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文主要工作

7．2 全文主要结论

7．3 不足与展望

参考文献

致谢