应力三轴度对7075铸态铝合金断裂应变的影响研究

基于ABAQUS/Explicit有限元平台,以有限元仿真为主,并结合室温下的准静态拉伸试验,研究了应力三轴度对7075铸态铝合金断裂应变的影响,建立了可靠的7075铸态铝合金单向拉伸断裂预测模型,进而采用正交回归分析建立了7075铸态铝合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。结果表明,在室温下,单向拉伸速率为0.004 mm·s~(-1)时,每个试样在缺口处断裂应变最大,而应力三轴度最小;在断裂临界点,缺口处的应变随着缺口半径R的增大逐渐增大,由缺口处向两端逐渐减小;应力三轴度随着缺口半径R的增大逐渐减小,且由缺口处向两端逐渐增大;7075铸态铝合金断裂应变随着应力三轴度的增大而减小;断裂应变与应力三轴度成反比例关系。     

应力三轴度对316LN钢临界损伤值的影响

利用Gleeble-1500D热模拟机对316LN钢做温度1 050℃、应变速率0.5s-1的高温拉伸试验,试样尺寸Φ10mm×121.5mm,缺口半径分别为0.5mm、1mm、2mm和4mm,得到不同缺口半径试样的真应力-真应变曲线。通过数值模拟得到试样初始拉伸时的应力三轴度最大值及空洞形核时的临界损伤值,结果表明,缺口试样的临界损伤值随应力三轴度的增大而增大,即应力三轴度越大,裂纹越不容易萌生。通过对实验数据和模拟结果的回归分析,建立应力三轴度与空洞形核应变的定量关系模型。     

冷轧钢单拉本构关系与韧性断裂参数研究

以SPCC钢为研究对象并采用拉伸试验与有限元模拟相结合的方法来获得准确表征颈缩后材料变形行为的本构关系与韧性断裂参数值。通过试验得到了工程应力-应变曲线,使用SEM观察断口形貌并分析了断裂机理。利用Abaqus软件进行三维拉伸模拟,对颈缩后工程应力-应变曲线进行拟合,获得了最优拟合的本构关系。假定等效断裂应变与应力三轴度间关系为反比例函数,利用反求法使得实际断裂应变与具体变形路径下的累积名义断裂应变相等,从而确定了断裂参数值。模拟结果表明,材料模型能够准确描述整个变形过程,合理预测韧性断裂的发生。此外,模拟中颈缩发生时等效应变值与理论计算值吻合度很高,证实了模型的可靠性。     

金属延性断裂准则精度的评价

为考察实际使用中10种断裂准则的精度,以2A12-T4铝合金为材料,进行5种不同应力状态的拉伸断裂试验,并在ABAQUS中计算其相应的有限元模型。当试验值与有限元结果足够接近时,提取有限元计算结果以研究各种准则的表现。结果显示,对于应力状态简单的试验,大多数准则均表现较好;对于应力状态稍复杂的试验,多参数断裂准则总体上优于单参数准则,其中以Norris准则、Wilkins准则表现最为优异。     

金属韧性断裂准则的实验研究

韧性断裂准则作为材料成形极限中的重要指标,对于准确预测金属内部和表面韧性破坏发生的时间和位置、工艺制定和模具设计具有重要的意义。以45钢为材料,采用不同形式的试件进行了拉伸、压缩、剪切、扭转等实验,并利用金属塑性成形模拟专业软件对实验过程进行数值模拟,对工程中广泛使用的11种韧性断裂准则进行分类对比研究。指出Normalized Cockroft & Latham和Brozzo断裂准则比较适用于高应力三轴度成形过程,而Ayada和Rice-Tracy断裂准则更适用于较低应力三轴度成形过程。     

韧性断裂准则参数的3种不同标定方法

韧性断裂准则可用于金属塑性成形过程中韧性断裂的判据,但预测的准确性依赖于准则参数的有效标定。在目前常用的基于试验与模拟的反求分析法以及曲面拟合法的基础上,给出了一种断裂阈值积分求解的标定方法。利用一系列宽应力三轴度范围内的试验结果,分别采用上述3种标定方法进行了L-H韧性断裂准则的参数求解,并对3种标定方法进行了对比分析,给出了各自的优缺点。由对比结果可知:相比于反求分析法,断裂阈值积分求解的标定方法和曲面拟合法可以改善求解效率;损伤阈值积分求解的标定方法相比于曲面拟合法而言,精度有所提高。     

双剪切试样的应力应变分析及其在镍基单晶超合金上的应用

双剪切试样是设计用于研究镍基单晶超合金的蠕变问题。本文研究该试样详细的蠕变应力和应变分布以及边界条件的影响。计算结果表明,利用ABAOUS和RIGID SURFACE作为边界的初步分析是保定的,因为它只能保证在10％蠕变应变内的精确性。利用更真实的边界条件（ABAQUS中的CONTACT PAIR）,能给出更均匀和更高应变时的精确性。建立了材料蠕变性能参数（Norton律）和双剪切试样宏观响应的关系,使得能够利用双剪切试样试验来确定材料蠕变性能参数,并已给出了相应的公式。本文利用镍基单晶超合金的试验数据对镍基单晶超合金双剪切试样进行分析,并与试验结果进行对比,结果相当一致。     

铝合金在两种应力状态下损伤机理研究

铝合金汽车构件在撞击的过程中,构件的应力状态各点均不相同,而且在撞击的过程中各点的应力状态随着时间变化而变化.为了研究铝合金构件在不同应力状态下损伤机理,采取了两种代表性的三轴应力状态,即缺口拉伸与纯剪切所产生的应力状态.研究结果表明缺口拉伸试验中,缺口根部产生相对较高的三轴应力,而且缺口根部明显产生微孔洞,随着应力的不断升高,微孔洞的体积分数不断增大.当达到材料的临界孔洞体积分数时,试样断裂;纯剪切试验中,三轴应力几乎等于0,在材料内部几乎没有产生微孔洞而产生了剪切带.剪切带在切应力的作用下变形不断增大,当到达材料的等效塑性断裂应变时,试样发生断裂;用Gurson损伤模型和剪切失效分别模拟缺口拉伸和剪切试验,试验的工程应力-应变曲线与模拟的工程应力-应变曲线拟合的很好.     

铝合金在两种应力状态下损伤机理研究

铝合金汽车构件在撞击的过程中,构件的应力状态各点均不相同,而且在撞击的过程中各点的应力状态随着时间变化而变化.为了研究铝合金构件在不同应力状态下损伤机理,采取了两种代表性的三轴应力状态,即缺口拉伸与纯剪切所产生的应力状态.研究结果表明:缺口拉伸试验中,缺口根部产生相对较高的三轴应力,而且缺口根部明显产生微孔洞,随着应力的不断升高,微孔洞的体积分数不断增大.当达到材料的临界孔洞体积分数时,试样断裂;纯剪切试验中,三轴应力几乎等于0,在材料内部几乎没有产生微孔洞而产生了剪切带.剪切带在切应力的作用下变形不断增大,当到达材料的等效塑性断裂应变时,试样发生断裂;用Gurson损伤模型和剪切失效分别模拟缺口拉伸和剪切试验,试验的工程应力-应变曲线与模拟的工程应力-应变曲线拟合的很好.     

应力三轴度和罗德参数对铝合金材料韧性断裂的影响

大量研究表明应力三轴度对韧性断裂有重要影响。然而,最新研究表明,与应力偏张量第三不变量相关的罗德参数也是影响韧性断裂的重要因素。采用7075铝合金制成的缺口圆棒和凹槽平板试样分析了应力三轴度和罗德参数对韧性断裂的影响及相应的微观机理。通过准静态拉伸试验和数值模拟得到应力三轴度、罗德参数及失效轨迹,同时利用扫描电镜分析了试样不同应力状态下的空穴演化规律。结果表明,应力三轴度和罗德参数对破坏应变有重要影响,并且罗德参数的影响随应力三轴度的增加而降低。断口分析表明,孔洞的尺寸随着应力三轴度的增大而减小,不同罗德参数的空穴形态明显不同。二级孔洞的成核速率和生长程度也受罗德参数的影响。     

韧性断裂准则的研究及其在冷镦成形过程中的应用

塑性成形过程中,材料的韧性断裂是主要约束因素之一.本文采用实验与有限元结合的方法,对几种有代表性的韧性断裂准则进行了分析.结果表明以孔洞理论为基础的Oyane断裂准则能够较准确的预测成形中的启裂位置,与实验结果相吻合.同时将Oyane断裂准则用于预测冷镦内六角螺钉过程中的开裂,结果与实际生产相符合.     

基于Lemaitre韧性断裂准则的1060铝板成形极限研究

针对成形极限曲线的测定需建立在大量实验基础上,耗时耗材,且需要特定的成形实验机才能完成的不足,采用韧性断裂准则与数值模拟相结合来预测。建立测定成形极限曲线的有限元分析模型,对不同尺寸1060铝板试样成形过程进行数值模拟与分析,并采用Lemaitre韧性断裂准则作为板料破裂与否的判据,找出破裂极限应变值,拟合成形极限曲线;为验证提出方法的正确性,采用实验方法制作1060铝板成形极限曲线,并将其与模拟得到的曲线进行对比,两曲线走向基本一致,有较好的吻合度,表明该方法能够应用于成形极限曲线的预测。     

The application of a ductile fracture criterion to the prediction of the forming limit of sheet metals

To predict accurately the forming limit in sheet metal forming, the combination of FE simulation with tension tests is adopted in this paper to determine the material constants p and C in a ductile fracture criterion (DFC), which is advanced by the author. Forming limits of bore-expanding, hemispherical punch bulging and deep drawing (cylindrical, square-cup parts) are predicted by means of the DFC. Comparison of the results predicted by the DFC with experimental values shows that the precision of forming limit predicted by material constants obtained by the combination method is more accurate than that predicted by material constants obtained by the tension method, and that the critical punch stoke and the fracture initiation position in forming processes above mentioned are predicted accurately by the DFC.     

Revisiting the empirical relation for the maximum shearing force using plasticity and ductile fracture mechanics

Combination of plasticity with ductile fracture mechanics in a simple plastic flow model for sheet metal cutting provides a new level of understanding of the empirical relation between the maximum shearing force F_max and the ultimate tensile stress σ_UTS of the workpiece. The constant C in F_max = C σ_UTStL, where t is the sheet thickness and L the total surface length of the cut contour, is shown to be determined either (a) by the load to cause plastic instability in shear with separation (cracking) occurring subsequently or (b) by the load to cause cracking when that occurs at a punch displacement smaller than that at plastic instability in which case no instability occurs. The usually encountered range of empirical values for C, viz.: 0.65 < C < 0.85, is shown to correspond with the load for instability and depends on the work hardening index, with less-ductile materials having C at the lower end of the range. Whether cracking can precede the instability depends on the toughness/strength ratio (R/k₀) of the material and the workpiece thickness, where R is the fracture toughness and k₀ the yield stress in shear. The thicker the sheet and the less ductile the material, i.e. the lower the (R/k₀), promotes ductile fracture at a load smaller than that for plastic instability.     

基于Normalized C&L准则的ECAP裂纹萌生趋势的数值模拟

根据Normalized Cockcroft&Latham韧性断裂准则,利用Deform-2D对6061Al等径角挤压过程进行了裂纹萌生趋势的模拟,在一道次模拟中,得出了模具拐角φ、外转角半径r与背压对试样裂纹损伤分布的影响:模具拐角越大,裂纹损伤值越小;外转角半径r=6 mm为最佳,大于6 mm时裂纹损伤值增大;施加背压有利于减少裂纹的产生,背压越大,裂纹损伤值越小,但是,考虑到ECAP的效率,背压值不能选择太大的数值。对多道次ECAP进行数值模拟,并与实验结果进行对比验证。结果表明,三道次、A路线挤压后裂纹损伤值在上表层最大。     

An anisotropic stress based criterion to predict the formability and the fracture mechanism of textured zinc sheets

The Forming Limit Diagram (FLD) of a textured zinc sheet has been identified via tensile and bulge tests. The strong anisotropy of the sheet is reflected in the tensile tests, and even more strikingly in the formability measured from the bulge tests. The dependence of the FLD on the orientation of the sheet is unusual, and is shown to be well captured by an anisotropic stress based criterion. The criterion is also able to predict the observed cracks orientations.     

韧性断裂准则及损伤模型在冲裁有限元模拟中的应用研究

在冲裁有限元模拟中,韧性断裂准则的选择会对冲裁件断面质量与尺寸精度产生很大影响。为了获得符合实际的模拟结果,进而优化冲裁工艺,重点研究了一些常用的韧性断裂判定依据,并从物理学角度阐述了韧性断裂机制。基于试验的韧性断裂准则,考虑了变形历史中的应力应变关系,使用由反求法确定的临界值来判定韧性断裂的发生与否。基于连续损伤力学建立的损伤模型,考虑了变形过程中损伤累积对材料本构关系的影响,能够更准确地描述断裂过程。此外,还分析了冲裁有限元模拟中的关键技术,如采用任意拉格朗日欧拉方法来解决网格畸变问题,使用单元分裂、单元分离与单元删除等技术来处理裂纹的萌发与扩展。探讨了目前韧性断裂模拟中存在问题以及未来发展方向。     

基于微观损伤机理的延性裂纹扩展行为分析

在考虑材料内部塑性损伤的基础上,通过有限元数值方法(特殊单元模型法),编制了求解韧性断裂特征参量的程序,模拟材料的韧性断裂过程.通过单轴拉伸试验的模拟结果,得出反映材料微观损伤的控制参量,再根据该参量对同种材料的标准三点弯曲试验进行定量预测,即实现从一种试验结果预测同种材料的其它试验结果.结果表明,在韧性裂纹扩展时,考虑塑性损伤的特殊单元模型能够很好地描述材料的韧性断裂过程,可以实现同种材料不同试验间相互预测的目的.