低应力多碰能量对材料塑性行为的影响及机理探讨

摘要

一般情况下，材料受低于其屈服极限的应力作用时不会产生塑性变形。但在工程中，常有零部件在远低于屈服极限的低应力多次冲击碰撞下，会产生不可恢复的累积塑性变形。多冲碰撞是有碰撞能量输入的动态加载，而一般屈服极限是在缓慢准静态加载条件下获得的，所以本文着重分析在低应力多碰条件下，碰撞能量对材料塑性行为的影响，探讨材料在低应力多碰载荷作用下产生塑性变形的规律及机制，建立相关数学模型。
　　本文选取65Mn与YT01两种材料作为研究对象，利用自制多碰试验机对其进行不同碰撞能量的低应力多碰试验。采用网格法测量试样多冲碰撞前后的形变数据，分析总结试样在各碰撞阶段的塑性变形规律，同时分析试样碰撞前后各网格区域内的形变硬化现象。通过对碰撞表面区域的金相观察、X-射线单晶衍射等手段分析材料低应力多碰组织变化情况。
　　分析试验数据得到如下结果：1）两种试验材料在不同碰撞能量的低应力多碰载荷作用下产生的塑性变形与硬化具有“趋表效应”，材料单次碰撞产生的形变随碰撞次数的增加而减小，最终不再产生塑性变形。2）当碰撞应力一定时，碰撞能量越大，材料产生的累积塑性变形越大，材料的形变率及硬化程度越大，组织中晶粒破碎越明显。如本文试验中，在相同应力31.7MPa下，碰撞能量由0.86J增加到1.67J时，65Mn材料的累积塑性变形增大了29.3％，YT01材料的累积塑性变形增大了24.4%。
　　根据试验数据建立65Mn与YT01两种材料的累积塑性变形关于碰撞能量、应力、多碰次数的L-Q-σ-N数学模型和形变率关于碰撞能量、应力、层深的η-Q-σ-h数学模型。根据所建数学模型编写的快速形变预测程序，可为工程预测提供一定参考。由试验数据和数学模型可得到如下结论：在低应力多碰载荷作用下，碰撞能的输入明显影响到材料的塑性行为，碰撞能量与材料塑性变形呈非线性正相关，且碰撞能量对材料塑性变形的影响效果随应力的增大而减小。
　　结合现有理论对试验数据进行归纳与分析，尝试对碰撞能量影响材料低应力多碰塑性行为的机理进行了探讨。认为其主要机制为：1）碰撞能量转化为原子动能，使原子离开原平衡位置，并移动到相邻平衡位置处，完成原子间距的塑性滑移；2）碰撞能量激发孪生改变晶体位相，利于滑移的滑移系增多；3）碰撞能量引起的冲击波在材料内部产生叠加，致使材料局部能量密度超过其屈服时的畸变能密度。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 选题意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究内容

第二章 变能量多碰试验设计

2.1 多碰试验机介绍

2.2 选材与制样

2.3 试验

2.4 本章小结

第三章 多碰塑性变形研究

3.1 多碰变形过程研究

3.2 累积塑性变形研究

3.3 网格区域形变率研究

3.4 本章小结

第四章 多碰微观性能分析及机理探讨

4.1 硬度分析

4.2 金相组织分析

4.3 X－射线衍射结果分析

4.4 碰撞能量对材料低应力多碰塑性变形影响机理的探讨

4.5 本章小结

第五章 低应力多碰塑性变形建模及仿真计算

5.1 条件假设

5.2 多碰累积塑性变形数学建模

5.3 多碰形变率数学建模

5.4 数学模型仿真计算

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文及专利

附录1 65Mn材料累积塑性变形仿真程序

附录2 YT01材料累积塑性变形仿真程序

附录3 65Mn材料形变率仿真程序

附录4 YT01材料形变率仿真程序

致谢