2024铝合金高温流变规律及断裂行为研究

摘要

2024铝合金可用于制造飞行器结构件及受压承力构件，被广泛应用于航空航天工业等领域。目前国内外已有研究主要集中在成分、热处理以及蠕变时效工艺对2024铝合金性能的影响规律等方面，而2024铝合金的高温流变特性和成形过程中的损伤演变规律有待深入研究。因此，本文通过实验和理论分析的方法，研究了2024铝合金的高温流变特性，并建立了材料高温流变应力的本构模型和损伤模型。
　　本研究主要内容包括：⑴通过热拉伸实验和断口扫描实验，研究了变形条件对2024铝合金高温流变特性和断裂行为的影响规律，结果表明:随着应变速率的降低或变形温度的升高，2024铝合金流变应力逐渐减小，且断口表面变得粗糙不平，孔洞体积也随之增大，而延伸率减小。⑵基于2024铝合金高温流变应力曲线，综合考虑变形速率、变形程度和变形温度对2024铝合金高温流变行为的耦合作用，建立了一种用于预测2024铝合金高温流变行为的本构模型，其预测值与实验值的最大相对误差仅为6.3％。因此，本文建立的本构模型可准确预测2024铝合金的高温流变特性。⑶利用DEFORM-3D有限元软件，建立了2024铝合金的高温拉伸有限元材料模型。高温拉伸过程的模拟结果表明:所建立的有限元模型能够很好地预测2024铝合金高温拉伸过程。⑷在连续介质力学框架下，综合考虑变形温度和应变速率对材料损伤断裂的影响，提出了改进的Freudenthal韧性断裂模型，并对DEFORM有限元软件进行了二次开发，将改进的Freudenthal韧性断裂模型嵌入到DEFORM有限元软件中。结果表明:改进后的模型能够准确预测2024铝合金在高温拉伸过程中的局部颈缩行为。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 2024铝合金的研究现状

1．2 航空铝合金的热加工工艺

1．2．1 热加工工艺

1．2．2 2024铝合金热加工过程的断裂现象

1．3 材料本构模型

1．4 金属成形过程中的损伤研究

1．4．1 损伤定义

1．4．2 损伤测量方法

1．4．3 韧性断裂准则

1．5 有限元法的应用

1．6 本文的主要研究意义及内容

1．6．1 研究目的及意义

1．6．2 主要研究内容

2 2024铝合金高温流变行为和断口形貌

2．1 2024铝合金高温拉伸实验

2．1．1 实验材料及设备

2．1．2 实验方案

2．2 2024铝合金的拉伸实验结果与分析

2．2．1 材料的力学特性

2．2．2 材料的延伸率

2．3 2024铝合金的拉伸特性分析

2．3．1 高温拉伸变形特性

2．3．2 流变软化机理

2．4 工艺参数对2024铝合金高温拉伸断裂行为的影响

2．4．1 变形温度对断口形貌的影响

2．4．2 应变速率对断口形貌的影响

2．5 本章小结

3 2024铝合金流变应力本构模型的建立

3．1 峰值应力前的本构模型

3．1．1 稳态应力的确定

3．1．2 本构模型材料参数的确定

3．1．3 模型预测值与实验值的比较

3．2 峰值应力后的本构模型

3．2．1 Johnson-Cook模型的建立

3．2．2 改进型本构模型的建立

3．3 本章小结

4 2024铝合金热成形损伤模型的建立

4．1 DEFORM-3D软件概述

4．1．1 DEFORM-3D软件模块的介绍

4．1．2 有限元模拟的基本假设和基本方程

4．2 拉伸过程有限元模拟

4．2．1 2024铝合金拉伸实验几何模型建立

4．2．2 材料属性设定

4．2．3 网格划分

4．2．4 边界条件以及载荷设置

4．2．5 实验与模拟的载荷-位移曲线对比

4．3 损伤模型与拉伸断裂预测

4．3．1 损伤理论

4．3．2 损伤阈值函数的确定

4．3．3 有限元断裂模拟

4．4 损伤模型的修正

4．4．1 颈缩阈值的确定

4．4．2 预测结果与分析

4．5 本章小节

5 总结与展望

5．1 本文研究工作总结

5．2 后续的研究工作与展望

参考文献

攻读硕士期间完成论文情况

攻读硕士学位期间参加的项目情况

致谢