金属材料的断裂准则及断裂行为数值模拟

论述了金属延性断裂形成的机理，介绍了常见断裂准则公式，对获得金属断裂准则的方法进行模型、原理介绍并给出验证。介绍了有限元技术在挤压、金属切削、切断和精冲工艺中断裂行为的成功分析。     

冷轧前热处理对6016-T4P铝合金组织和力学性能的影响

通过拉伸试验、电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)等检测手段,研究了在冷轧前分别进行固溶处理和过时效处理工艺对6016-T4P板材组织和力学性能的影响。结果表明:冷轧前进行固溶处理的6016-T4P板材比冷轧前进行过时效处理的6016-T4P板材塑性、强度和平面各向异性指数更高,晶粒度更小,晶界分布更均匀;而冷轧前进行过时效处理会弱化6016-T4P板材的再结晶织构强度并改变再结晶织构类型,进而改变板材平面内不同方向上的屈服强度并减小平面各向异性指数。     

基于Oyane韧性断裂准则的板料成形极限预测

本文基于Oyane韧性断裂准则,结合数值模拟方法,预测板料不同应变状态下的极限应变.准则中的材料参数通过单向拉伸和平面应变拉伸试验确定.在模拟胀形试验获得每一时间步应力、应变值的基础上,应用韧性断裂准则预测板料的成形极限.模拟结果表明用韧性断裂准则和数值模拟相结合的方法能成功获得板料的成形极限图.     

LC4铝合金断裂韧度的研究

通过对LC4铝合金裂纹扩展方向和断裂方式的研究,探讨了LC4铝合金拉伸性能、断裂韧性和微观组织的关系。研究结果表明,LC4铝合金的断裂是由第二相颗粒决定的塑性断裂,第二相颗粒平均间距是断裂结构参数,建立了LC4铝合金拉伸性能、断裂韧性和第二相颗粒平均间距的定量关系。     

稀土Y及热处理对6016铝合金组织与性能的影响

为了提高6016铝合金的性能,通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、电子背散射衍射(EBSD)等实验方法,研究了稀土元素钇(Y)及其含量和热处理工艺对6016铝合金的组织和拉伸性能的影响。结果表明：随着Y的添加,6016铝合金的晶粒明显细化,并且细化的晶粒分布趋于均匀,当Y的添加量为0.35%(质量分数)时,合金的晶粒细化效果、强度、断后伸长率达到最佳值,而当过量添加Y时,在相同的热处理状态下,合金力学性能有所降低。Y元素主要以Al₃Y、AlFeSiY化合物的形式存在于晶界上,能够促使再结晶形核率的增加,有利于小角度界面向大角度界面发展,对合金回复再结晶过程有积极作用。6016铝合金具有良好的烤漆硬化性,添加0.35%Y元素的合金经模拟烤漆6 h后,抗拉强度达到320 MPa,屈服强度达到270 MPa,相比于其T4p态,抗拉强度提升68 MPa,屈服强度提升116 MPa。     

基于韧性准则的金属板料冲压成形断裂模拟

该文基于Rice-Tracey韧性失效准则,探索金属板料冲压成形的断裂数值模拟方法。首先设计两种试验,并结合有限元分析结果确定双相钢板料的材料失效参数;然后,基于Abaqus软件的显式模块Explicit,编写采用Rice-Tracey韧性失效准则的用户自定义材料子程序VUMAT;最后对双相钢薄板深拉成形过程中的断裂行为进行数值模拟,并进行了试验验证。结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合较好。可见,Rice-Tracey韧性准则可用于金属板料冲压成形的断裂预测。     

冷轧前热处理对6016-T4P铝合金组织和力学性能的影响

通过拉伸试验、电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)等检测手段,研究了在冷轧前分别进行固溶处理和过时效处理工艺对6016-T4P板材组织和力学性能的影响.结果表明:冷轧前进行固溶处理的6016-T4P板材比冷轧前进行过时效处理的6016-T4P板材塑性、强度和平面各向异性指数更高,晶粒度更小,晶界分布更均匀;而冷轧前进行过时效处理会弱化6016-T4P板材的再结晶织构强度并改变再结晶织构类型,进而改变板材平面内不同方向上的屈服强度并减小平面各向异性指数.     

不同表面状态的6016铝合金的结痂腐蚀及丝状腐蚀性能

汽车用铝合金通常要求具有较高的耐蚀性能。为探究不同表面状态对合金耐蚀性的影响,本工作对6016铝合金进行了不同的表面处理,包括光板表面、光板+钛锆涂层、毛化表面、毛化+钛锆涂层,通过扫描电镜、结痂腐蚀(SCAB)及丝状腐蚀(FFC)试验,对比了不同表面6016合金的表面微观形貌和腐蚀结果。结果表明,毛化处理与钛锆处理可减少合金表面轧制和碱洗产生的细微裂纹,使合金表面更均匀,从而提升了合金耐SCAB腐蚀和耐FFC腐蚀的能力。     

板料成形中韧性断裂准则应用研究进展

对板料成形中的成形极限应力图、最大变薄率、成形极限图以及韧性断裂准则等预测成形极限的方法,进行了综述和分析。指出利用韧性断裂准则,不但能够较好地预测塑性差的板料成形极限,而且还能考虑应变路径的变化。利用有限元方法模拟时,韧性断裂准则既可以应用到完全耦合的弹塑性损伤模型的增量方法中,也可以应用到一步有限元逆算法中。为了准确地预测成形极限,除了提高有限元模拟精度外,应找到一种本质地反映材料性能的韧性断裂准则。     

轧制方式对6016铝合金薄板组织和塑性各向异性的影响EI北大核心CSCD

利用凸耳实验、X射线衍射仪、EBSD等手段研究了热轧退火后常规轧制(NR)、横向轧制(TR)、交叉轧制(AR)等轧制方式对6016铝合金组织和平面各向异性的影响。结果表明:热轧退火后6016铝合金形成了强烈的立方织构{100}〈001〉。NR,TR冷轧板具有38%~44%的β取向线织构(主要包括铜,S,黄铜织构组分),但是AR冷轧后保留了12.2%的立方织构组分,变形织构组分很弱,因此AR冷轧板材制耳率最差,为7.1%。6016铝合金经过固溶处理后,NR,TR板形成9.12%强烈的立方织构,AR板的织构明显弱化且随机分布,因而AR再结晶退火板制耳率较NR,TR板的6%~8.16%明显降低,为2.76%。固溶处理后6016铝合金板的平均晶粒尺寸分别为23,25,22μm,AR轧制后合金的晶粒最小且分布最均匀。因此交叉轧制能有效改善6016铝合金板再结晶退火后的组织均匀性和塑性各向异性。     

利用最小厚度准则预测高强热轧钢板的FLC曲线

为更便捷地获得成形极限图(FLD)中的成形极限曲线(FLC),用最小厚度准则,通过少量成形极限试验结合数值模拟来预测FLC.采用Barlat1989屈服准则对QStE340TM、SAPH370、ZStE260P三种高强度热轧钢板进行成形极限模拟,并以最小厚度准则作为极限判据,根据数值模拟结果绘制FLC图.计算结果表明,采用平面应变路径下的成形极限实验数据作为最小厚度准则的已知参数时,数值预测结果与实验结果能较好吻合.故采用平面应变路径下的成形极限实验数据,结合最小厚度准则和数值模拟,即可得到材料完整的FLC曲线.     

气垫式预时效工艺对6016铝合金汽车板性能的影响

利用拉伸试验、硬度测试、杯突实验及差示扫描量热等检测手段,研究了固溶处理后不同停留时间下气垫式预时效工艺对6016铝合金汽车板成形性及烤漆硬化性的影响,并分析其析出特性。结果表明,气垫式预时效工艺可以抑制自然时效的不利影响。固溶处理后室温停放时间越短,气垫式预时效工艺对6016铝合金汽车板冲压成形性及烤漆硬化性的改善作用越显著。固溶处理后室温停放5min的6016铝合金汽车板经160℃×10min的预时效处理后,同时具有良好的成形性及烤漆硬化性,在烤漆过程中析出较多的强化相。     

Dynamic Tensile Fracture Behaviours of Selected Aluminum Alloys under Various Loading Conditions

Experiments investigating dynamic tensile fracture were performed on the extruded rods of 2024‐T4 and 7075‐T6 aluminum alloys under varying loading conditions. The initial yield stress and fracture strain of 7075‐T6 alloy obtained in spilt Hopkinson tension bar tests are higher than that of 2024‐T4 alloy. But the initiation fracture toughness and spall strength of 2024‐T4 alloy are higher than those of 7075‐T6 alloy in three‐point bending and plate impact experiments, which indicates that 2024‐T4 alloy has better crack initiation tolerance and stronger spall failure resistance. Based on metallurgical investigations by using optical and scanning electron microscopes, it is revealed that the microstructure has a profound effect on the dynamic tensile fracture mechanism of each aluminum alloy. The 2024‐T4 alloy is relatively brittle due to voids or cracks nucleated at many coherent CuMgAl₂ precipitate phases in the grain interiors, and the fracture mode is predominantly transgranular. The 7075‐T6 alloy exhibits relatively ductile fracture because voids or cracks growth is partly intergranular along the grain boundaries and partly transgranular by void formation around coarse intermetallic particles. The obvious differences of damage distribution and void coalescence mechanisms for 2024‐T4 and 7075‐T6 alloys under plate impact are also discussed.     

2024-T3铝合金的动态断裂韧性

目的实现2024-T3铝合金动态断裂韧性的测量,揭示加载速率对动态断裂韧性的影响机理。方法采用屏蔽措施避免电磁干扰,测量2024-T3铝合金在不同加载速率下的动态断裂韧性,采用扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌,理论分析加载速率对动态断裂韧性的影响机理。结果当加载速率小于103MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,2024-T3铝合金的动态断裂韧性约为35 MPa·m~(1/2);当加载速率高于105 MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,动态断裂韧性超过40 MPa·m~(1/2),且随加载速率的增加而不断增大至101 MPa·m~(1/2)。断口分析表明,加载速率较低时,断口形貌为微孔聚集型;当加载速率超过105 MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,断口特征由延性韧窝向准解理形态转变。理论分析表明,上述现象主要是由于裂纹尖端的无位错区域尺寸随加载速率的增大而减小,位错对裂纹尖端应力场的屏蔽效应增大,从而导致裂纹起裂后迅速由韧窝状态向准解理状态转变。结论电磁屏蔽后的电阻应变片法,能够准确测量电磁环境下2024-T3铝合金的动态断裂韧性,且动态断裂韧性表现出明显的应变率敏感性;2024-T3铝合金的微观断裂机制在准静态下为微孔聚集型,加载速率超过105MPa·m~(1/2)·s~(-1)时,材料的断裂表现为由延性韧窝形态向准解理形态转变。     

5A06铝合金中厚板反拉深变形行为

中厚板变形过程中的弯曲和反弯曲效应影响其拉深变形能力。本工作以航空航天常用的5A06铝合金筒形件为研究对象,采用厚度为4.5mm的中厚板进行反拉深数值模拟和实验研究,分析了变形过程中应力、应变分布特点,讨论了3种凹模截面结构形式下的变形方式,以及应变路径随着凹模圆角变化规律。结果表明:凹模内圆角与直壁区过渡区在壁厚方向上存在应力和应变梯度,并在该处外侧产生最大径向拉应力,导致了拉深破裂的发生。采用半圆形凹模截面结构时,极限拉深深度达到203mm,相对于平面凹模结构增加了40%。半圆形凹模结构能减小弯曲效应,有效降低过渡区的应力梯度和最大应力数值,有利于提高5A06铝合金中厚板拉深变形能力。     

铝合金 2A16 板材成形极限研究

目的掌握硬铝合金在温热条件下的成形性能变化规律。方法采用结合半球凸模胀形和椭圆液压胀形的复合试验法进行了FLD试验,用最小二乘法拟合试验数据,建立了成形极限预测模型。结果试样均在凸模顶端或附近发生破裂,在室温下网格保持较小的圆形,在210℃和300℃下网格被不同程度的拉长和变大,温度对铝合金2A16的成形性能影响很大,随温度升高,成形极限曲线上移。结论复合胀形试验法具有较高的可靠性与准确性;铝合金2A16在高温下成形性能更好;预测模型较好地表述了极限应变值与温度的关系,根据模型可快速得出FLD。     

钛铝合金板材压印成形及接头力学性能实验研究

对钛合金(TA1)和铝合金(Al5052)板材组合进行压印连接的可行性进行了研究,发现压印连接可以有效地实现TA1-TA1组合和Al5052-TA1组合的连接。对所获得的接头进行准静态力学性能测试,并运用扫描电子显微镜对接头拉伸断口进行微观分析。结果表明,压印连接时,钛合金和铝合金的组合能够获得成形性较好的压印接头,TA1-TA1接头的最大载荷和失效位移较Al5052-TA1接头提高了303.8%和49.4%,这两种接头静态失效形式相似,为上板颈部材料首先被破坏,产生裂纹,之后裂纹沿周向逐渐扩展,最终导致整个压印接头断裂。由微观断口可以判断TAl-TA1接头断口处呈现准解理和韧窝形貌,即同时具有韧性断裂和脆性断裂的特征;Al5052-TA1接头断口处呈现直径和深度较大的拉长韧窝,即为韧性断裂。