金属成形过程的细观损伤力学模型及韧性断裂准则研究

摘要

金属塑性成形技术具有生产效率高、材料利用率高、产品质量稳定等优点，而且还能有效改善工件的力学性能，在金属零件制造过程中占据了重要的地位。在金属塑性成形领域内，金属材料的成形性能（可加工性能）的研究一直是人们关注的课题，而金属的损伤和韧性断裂是影响成形性能的重要因素。随着计算机硬件和软件技术的发展以及金属塑性流动理论的日臻完善，利用数值模拟技术，可以准确计算金属成形过程中的应力、应变等物理量的分布，但对成形过程中断裂等缺陷的预测尚不够成熟，这是塑性成形过程模拟技术推广应用的一个瓶颈问题。
　　 金属韧性断裂是损伤累积的结果。金属成形中工件的破裂通常要经历以下的过程：微孔洞的形核、长大、聚合直至产生塑性变形局部化，最终产生宏观裂纹。细观损伤力学模型以孔洞演化理论为基础，从物理本质上反映了材料微观结构的劣化最终导致材料失效断裂过程。但是细观损伤力学模型本身存在一些理想化的假设，引入了一些试验难以测定的模型参数，因此没有在工程中得到广泛应用。合理地确定这些模型参数是将细观损伤模型正确地应用于工程分析的必要条件。韧性断裂准则是预测金属材料发生断裂的判据，已有的韧性断裂准则还只能针对特定加工工艺中的破裂进行预测。金属成形工艺的多样性要求韧性断裂准则应该具有宽阔的适用范围。本文针对细观损伤力学模型和韧性断裂准则及其在金属成形有限元模拟中的应用进行了较为深入的研究，主要研究内容和结果如下：
　　 提出了一组误差评价函数来评价Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)细观损伤模型模拟工程金属材料宏观力学行为的准确度，从而合理地选取GTN模型参数，并进行了孔洞形核参数的优化。
　　 根据能量最小原理，建立了孔洞聚合的分析模型，推导了三维孔洞体胞模型中临界断裂时的等效应变与孔洞体积分数之间的函数关系。对单向拉伸试件断口处的孔洞体积分数进行了测量，结果表明：本文提出的该函数关系比依据二维孔洞体胞模型推导的函数关系更接近于试验的结果。
　　 比较和评价了工程中常用的六种韧性断裂准则的适用范围和准确度。依据试验观测结果，将金属成形过程中的韧性断裂机制分为拉伸型和剪切型两种类型，提出了一个适用于不同变形路径的统一形式的韧性断裂准则。数值模拟结果与拉伸、压缩、扭转、先扭转再拉伸等材料试验结果的对比验证了该准则在不同变形方式下都具有较高的准确性。
　　 将新建立的韧性断裂准则应用于金属板料成形和体积成形工艺中的韧性断裂预测。采用经过单向拉伸预变形的板料进行拉深试验，结果表明采用本文提出的韧性断裂准则比成形极限图(FLD)能够更准确地预测非线性变形路径下的板料拉深过程中的破裂现象。采用不同断面缩减率进行了金属正挤压试验，结果表明新的韧性断裂准则能够很好地反映挤压件中同时存在拉伸型和剪切型两种韧性损伤的现象，并能准确预测挤压件表面裂纹的出现。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 韧性损伤力学模型研究现状

1.3 韧性断裂准则研究现状

1.4 本文主要研究内容

本章参考文献

第二章 金属成形过程的韧性断裂机理与试验研究

2.1 引言

2.2 韧性断裂试验

2.3 金属塑性成形过程的断裂机理

2.4 本章小结

本章参考文献

第三章 金属成形过程的细观损伤力学模型及其数值计算方法

3.1 引言

3.2 Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)细观损伤模型

3.2.1 GTN塑性势方程

3.2.2 孔洞体积分数的演化规律

3.2.3 GTN塑性本构方程

3.3 GTN模型的参数确定

3.4 GTN本构方程的数值实现算法

3.5 基于三维体胞单元的孔洞聚合模型

3.5.1 孔洞聚合模型

3.5.2 试验验证

3.6 本章小结

本章参考文献

第四章 金属成形过程的韧性断裂准则研究

4.1 引言

4.2 韧性断裂试验测量与数值模拟

4.2.1 韧性断裂时的试样特征尺寸测量

4.2.2 有限元模型的建立

4.3 常用韧性断裂准则的比较和评估

4.4 新韧性断裂准则的建立

4.4.1 细观损伤模型与韧性断裂准则的关系

4.4.2 新韧性断裂准则的建立

4.5 本章小结

本章参考文献

第五章 非线性路径下的板料拉深成形中的破裂预测

5.1 引言

5.2 板料成形极限图

5.3 试验用钢板的基本性能测试

5.4 试验装置

5.4.1 宽板单向拉伸试验

5.4.2 圆筒件拉深试验

5.4.3 ARGUS板料应变测量系统

5.5 试验与数值模拟结果分析和比较

5.5.1 有限元模型

5.5.2 未经过预变形的圆筒件拉深试验

5.5.3 经过单向拉伸预变形的圆筒件拉深试验

5.6 本章小结

本章参考文献

第六章 金属冷挤压过程中的表面开裂预测

6.1 引言

6.2 金属正挤压过程中的裂纹类缺陷

6.3 硬铝正挤压试验

6.3.1 试验模具

6.3.2 试验设备

6.3.3 原始坯料

6.3.4 试验过程

6.4 正挤压过程的试验分析和数值模拟

6.5 本章小结

本章参考文献

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢