5083铝合金宽应变率下拉压力学性能及其本构模型描述

摘要

随着5083铝合金在制造业中广泛的应用，尤其高速列车和船舶行业的发展，要求对其在高速碰撞、大塑性变形等条件下具有良好的力学性能。同时，材料的屈服应力、加工硬化率等参数也必然会在不同加载速率、温度等条件下发生改变。因此，研究分析5083铝合金在动态载荷下相关力学性能，对工程结构的设计和碰撞问题的数值计算有着重要意义。
　　本文通过MTS材料试验机、INSTRON动态材料试验机和分离式霍普金森试验系统，针对5083铝合金材料进行准静态实验以及中、高应变率加载下的力学拉伸和压缩实验，实验得到了在较宽应变率(2×10-4/s～7×103/s)下的5083铝合金应力应变曲线。实验结果表明:该材料在同一实验条件下所得到的应力应变曲线，其强化阶段的拉伸曲线总是低于压缩曲线。不同应变率下的拉伸和压缩在不同加载情况下的屈服应力基本相同，并且屈服应力随着应变率不同而有所变化，当加载应变率低于10/s时，材料的屈服应力呈现出负应变率效应，之后随着应变率的升高，屈服应力呈现出正应变率效应。进入屈服阶段之后有着较明显的幂率形式的应变硬化规律，加工硬化率随着应变率有所降低，呈典型的FCC金属特征。
　　基于以上实验结论，本文归纳总结了近年来各种可用于描述5083铝合金冲击实验本构关系的模型，针对描述5083铝合金的动态本构关系最常用的Johnson-Cook模型（JC模型）进行改进，由于该模型并没有考虑到细观层面的损伤机理，通过分析了该类材料的动态损伤机理，并结合延性金属的损伤理论和微观断裂机理方面的研究，对5083铝合金动态软化现象在理论机理上进行了合理解释，并引入本构方程。通过实验曲线与所得模型曲线的对比，拟合良好，表明该模拟具有很好的适用性。该研究能够对该材料的工程应用提供有效的科学依据、分析模型和必要的参考。
　　研究过程中发现，原有的Johnson-Cook本构模型虽然形式简单，物理参数较少，但由于此模型属于半经验半物理型的本构模型，缺点在于对加工硬化率随应变和应变率增加或者减少的力学行为描述不足。因此，本文对多晶FCC材料在宽应变率下的塑性流动行为进行了系统的分析，讨论5083铝合金在宽应变率下的反常屈服行为和加工硬化率降低的实验现象，产生以上现象的变形机制为两相合金元素在不同应变率下的竞争结果。基于位错动力学概念及热激活理论，并结合合金元素对金属的强化机制，引入Copley和Kear的强化模型，重构了Zerilli-Armstrong本构模型，通过对实验曲线和拟合结果的比较，证实该模型较Johnson-Cook本构模型有着更好的拟合效果。通过实验曲线和模型所得曲线的对比，该模型拟合良好，表明此模型具有更好的预测此类材料的塑性流动应力的能力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 铝合金动态实验研究现状

1．2．2 铝合金动态损伤研究现状

1．2．3 常用动态本构模型

1．3 研究目标及拟开展的工作

第2章 5083铝合金的宽应变率实验

2．1 霍普金森冲击试验系统

2．2 实验准备

2．2．1 实验材料

2．2．2 拉伸实验试样尺寸

2．2．3 压缩验试样尺寸

2．2．4 数据处理

2．3 5083铝合金拉伸实验

2．3．1 准静态拉伸实验研究

2．3．2 中应变率拉伸实验研究

2．3．3 冲击拉伸实验研究

2．4 5083铝合金压缩实验

2．4．1 准静态压缩实验研究

2．4．2 中应变率压缩实验研究

2．4．3 冲击压缩实验研究

2．5 实验结果

2．6 小结

第3章 5083铝合金基于损伤的动态本构模型研究

3．1 铝合金的损伤机制

3．2 铝合金损伤规律的研究

3．2．1 损伤演化同应变的关系

3．2．2 损伤演化同应变率的关系

3．2．3 铝合金损伤演化方程

3．3 Johnson-Cook模型的改进

3．3．1 JC模型的改进

3．3．2 参数的确定

3．4 理论模型曲线与实验曲线的对比

3．5 小结

第4章 基于位错物理机制的5083铝合金本构模型研究

4．1 本构方程的描述

4．1．1 建立本构方程的假设

4．1．2 热激活分析

4．2 5083铝合金微观变形机理的讨论

4．2．1 固溶强化机制下屈服行为

4．2．2 反常应变率敏感性的相变机制

4．2．3 CRSS的应变率敏感性

4．3 ZA模型基础上的本构模型的改进

4．3．1 5083铝合金热激活面积

4．3．2 描述多晶5083铝合金的本构方程

4．4 模型曲线与实验曲线对比

4．5 小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果