基于晶体塑性的铝合金韧性断裂细观力学研究

摘要

韧性断裂是金属材料的重要的非线性行为，加深对韧性断裂的理解在实际工程中有重要意义，如改善金属塑性成型工艺，提高结构完整性评估精度等。众所周知，韧性断裂与微孔洞的形成，增长，聚合的过程有关。材料的韧性断裂受应力状态，孔洞体积分数，孔洞几何尺寸，基体本构响应及温度等众多参数的影响，其中，应力状态对韧性断裂的影响至关重要。目前，已有的韧性断裂研究大都以唯象本构代表材料的非线性行为，对材料韧性断裂过程中微观晶体变形和孔洞扩展的机理缺乏明确考虑。
　　本文对5083-H116铝合金材料提出一个基于晶体塑性力学的细观有限元模型以明确考虑材料中的非线性晶相滑移与孔洞扩展之间的相互作用。有限元分析中，本文选取含单一孔洞的代表性胞元对其施加周期性边界条件，并采用结构化的网格进行有限元离散。本文基于Taylor平均场均匀化方法模拟多晶基体材料的力学响应，将其与实验对比标定了本构模型的材料参数，并将该模型应用于基体材料中。
　　为研究多轴载荷作用下应力状态对单晶含孔洞胞元力学行为的影响，本文发展了一种控制胞元应力三轴度和洛德参数的方法。在三维胞元模型中，本文加入刚硬斜杆来控制代表性胞元总体应力分量之间的比值，进而实现对胞元应力三轴度以及洛德参数的控制。本文在有限元软件中开发了相应的用户子程序并分析了相关参数的影响，最终实现应力状态的控制。在此基础上，本文定量分析了应力三轴度，晶体取向以及洛德参数对孔洞扩展以及孔洞聚合的影响规律，有以下发现：应力三轴度的提高可降低孔洞聚合应变，并改变孔洞扩展趋势；晶体取向对胞元应力应变分布有重要影响；随着应力三轴度的提高，晶体取向的影响减弱；同时，洛德参数对单晶孔洞聚合行为产生重要影响。本文进一步发展了 Taylor-Reuss平均场均匀化方法获得含孔洞多晶体材料的力学响应，并将预测结果与传统的采用宏观唯象本构的细观力学模型所得结果以及广为应用的 G-T本构模型对比。对比结果验证了本文模型的可靠性，同时这些模型结果之间的区别显示出在分析多晶体材料孔洞扩展行为时对材料的塑性滑移与孔洞之间的相互作用予以明确考虑是很必要的。

目录

第1章 绪论

1.1课题研究目的与意义

1.2国内外研究现状分析

1.3本文主要研究内容及创新点

第2章 基于晶体塑性的含孔洞胞元模型

2.1引言

2.2三维胞元模型的建立

2.3 5083-H116铝合金的晶体塑性本构

2.4本章小结

第3章 胞元总体应力状态的控制

3.1引言

3.2小变形条件下胞元应力状态的控制

3.3大变形条件下胞元应力状态的控制

3.4本章小结

第4章 单晶孔洞发展的晶体塑性模拟

4.1引言

4.2多轴载荷下胞元应力应变响应

4.3应力三轴度对胞元力学行为的影响

4.4晶体取向对胞元行为的影响

4.5洛德参数对胞元行为的影响

4.6本章小结

第5章 多晶体孔洞扩展行为均匀化分析

5.1引言

5.2应变-应力平均场均匀化分析

5.3与传统细观力学模型对比

5.4与G-T模型对比

5.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢