面向低应力三轴度的金属板料压剪试验及其断裂表征研究

摘要

在板料成形领域，精冲成形工艺已成为一种重要的成形手段。精冲成形过程中，材料处于三向压应力状态，塑性变形能力得到了极大改善。但是，精冲成形过程中也常常伴随着复杂的损伤断裂等问题，其适用的韧性断裂准则需借助剪切试验进行试验验证和参数标定。因此，有必要对金属板料在低应力三轴度状态下的韧性断裂行为进行研究。
　　本文通过构建一种新型的压剪试验装置作为切入点，运用数值模拟和物理实验相结合的方法对处于低/负应力三轴度的压剪试验进行研究。结合数值模拟结果和压剪试验结果分析了不同材料的压剪试验试样在不同应力状态下的塑性变形行为和断裂失效特征。通过宏微观断口的定性和定量分析，研究了压剪试验的断裂机制和试样断口表征响应。主要研究成果如下：
　　1)围绕现有板料剪切试验方法的特点和不足，构建了一种新的板料压剪试验。通过预加载，实现了特定应变路径下的剪切成形，通过调整试样几何结构实现了低/负应力三轴度范围的剪切成形。
　　2)压剪试样较拉剪试样的塑性变形能力有所改善，相同条件下压剪试样较晚发生断裂失效。材料的抗拉强度越高，压剪试验所需的成形载荷越大，最终断裂位移量越小。压剪试样的裂纹起源于靠近变形区切槽边缘的内侧位置，裂纹扩展角和主加载方向的夹角值随着β角增大而呈现逐渐减小的趋势。
　　3)试样宏观断口大致可分为光滑平整、剪切平面密集的I区和韧窝密集存在的II区。β角增大，I区所占比例增加。断面两侧I区是明显的剪切断裂特征，剪切平面台阶状分布，孔洞极少且几乎没有扩展。断面中心II区为典型的抛物线型韧窝断裂，韧窝密集且沿着剪切方向拉长，韧窝底部存在形核粒子。β角增大，II区的韧窝取向性更加明显，其等效平均韧窝直径d略有增加。
　　4)相同条件下，同种材料（不同β角）获得的平均韧窝直径d和长短轴径比相差不大。β角增大，平均韧窝直径 d略微增大，约在0.4~0.5μm左右，而韧窝密度ρ则呈现明显减小的趋势。材料抗拉强度增加，平均韧窝直径d减小，而韧窝密度ρ则出现抛物线形状。

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上海交通大学硕士学位论文答辩决议书

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2精冲技术的应用和发展

1.3韧性断裂损伤机理的研究现状

1.4剪切试验的应用和发展

1.5 课题的意义和主要内容

第二章 压剪试验的提出及试验参数的确定

2.1 压剪试验的提出

2.2 压剪试验装置的设计

2.3 压剪试验参数的确定

2.4 0°试样的压剪试验验证

2.5 本章小结

第三章 压剪试验的数值模拟及试验验证

3.1 有限元模型的建立和流动应力曲线的确定

3.2 韧性断裂准则的比较和选择

3.3 压剪试验的数值模拟分析

3.4 压剪试验的试验验证和结果分析

3.5 本章小结

第四章 压剪试验的宏/微观断裂表征分析

4.1 压剪试验试样的宏观损伤演化过程

4.2 微观断口形貌的观察与分析

4.3 典型韧窝形貌的定量分析

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

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