非比例加載條件下Al2024韌性斷裂形式和機理研究.pdf

1、在工業生產過程中，材料發生韌性斷裂導致零件直接報廢的現象十分常見，因此采用數值模擬方法預測材料在成形過程中的起裂位置、起裂時刻以及裂紋擴展方式至關重要。數值模擬結果的準確性依賴于所選取的材料本構模型以及韌性斷裂準則。當前大多數斷裂模型的研究都集中在比例加載條件下，少數適用于非比例加載條件的斷裂模型也基本上是面向比例加載斷裂模型的擴展。由于工業生產過程中材料往往處于復雜應力狀態，適用于比例加載條件下的韌性斷裂模型在非比例加載條件下的適用性

2、有待進一步評估，非比例加載條件下材料韌性斷裂形式和機理也有待進一步研究。
　　本文設計了一組寬應力三軸度范圍的非比例加載試驗，得到相應的載荷-位移/扭角曲線。在此基礎上對兩種參數確定方法，即代數解析法和曲面擬合法確定的韌性斷裂準則在比例與非比例加載條件下的適用性進行了評估。運用ABAQUS/Explicit及用戶子程序VUSDFLD，結合試驗確定斷裂起始點，研究復雜加載條件下斷裂起始點的平均應力三軸度、羅德角和等效斷裂應變的變化趨

3、勢，分析了應變路徑變化對斷裂成形極限的影響。觀察三維斷口形貌，分析了非比例加載條件下材料的韌性斷裂機制。主要研究成果如下：
　　1）相對于材料參數單一的韌性斷裂準則，準則中的參數越多曲面擬合自由度較高，由此，曲面擬合法能夠提高斷裂準則在寬應力三軸度范圍的斷裂預測精度。然而，兩種方法所確定的斷裂準則參數僅在單拉和純扭試驗與預加載較小的非比例試驗中有較高的斷裂預測精度，且僅在比例加載條件下曲面擬合法的精度優于代數解析法。隨著預加載的增

4、強，兩種方法確定的斷裂準則的預測精度不斷降低?？梢?，兩種參數確定方法均不能完全適用于非比例加載條件。
　　2）在同類非比例加載試驗中，隨著預加載量的增加，斷裂起始點的平均應力三軸度有所降低，一定程度上抑制了第二階段的孔洞長大，使得最終的等效斷裂應變值明顯增大。對于拉-扭試驗，在預扭階段應變沿著純扭趨勢發展，而進入拉伸階段后應變并非沿著單拉的應變路徑進行變化；對于壓-扭試驗，在預壓階段應變沿著單向壓縮的應變路徑變化，而扭轉階段則沿著

5、平行于純扭的應變路徑變化。
　　3）通過斷裂試樣三維斷口形貌的觀察，分別從宏觀和微觀上描述了韌性斷裂演化過程。對于拉-扭試驗，在預扭階段，孔洞形核并沿著剪切方向逐步拉伸為橢球形；在拉伸階段，孔洞在軸向拉應力的作用下逐漸長大，直至聚集成微裂紋。主導斷裂機制演變過程：拉伸型、拉剪混合型到剪切型。對于壓-扭試驗，孔洞形核并在軸向壓應力作用變成橢球形；在扭轉階段，孔洞在剪切力作用下進一步增加，沿著剪切方向繼續拉長，孔洞聚集形成許多微小剪切