AZ31B镁合金板材宏-微观力学模型和韧性断裂准则研究

发布时间：2020-04-25 04:34

【摘要】：由于室温变形能力弱,镁合金板材在室温冲压、旋压和弯曲等过程中容易产生破裂现象,建立复杂应力下镁合金板材韧性断裂有限元预测模型对于优化其成形工艺具有重要意义。本文以AZ31B镁合金板材为研究对象,首先,将考虑了镁合金微观塑性变形机制的粘塑性自洽模型与宏观有限元模型相耦合,建立适合镁合金的宏-微观力学模型;然后,基于单向拉伸和压缩实验研究镁合金板材的力学行为及织构演变规律,结合有限元仿真确定宏-微观力学模型中的材料参数,并基于宏-微观力学模型对板材的剪切变形行为进行仿真研究,结合实验结果验证模型在简单应力下的准确性;同时,设计不同的缺口试样进行拉伸实验,基于宏-微观力学模型仿真输出其应力三轴度、Lode参数及断裂等效塑性应变,建立韧性断裂准则;最后,设计带孔洞的平面应力试样进行拉伸实验,基于宏-微观力学模型和韧性断裂准则仿真研究板料的破裂行为,结合实验结果验证模型在复杂应力下的准确性。在有限元单元积分点处建立局部坐标系,通过ABAQUS子程序求解局部坐标系中弹性应变及粘塑性应变,其中弹性部分通过Jaumann率定义的应力增量方式求解,塑性应变部分通过调用粘塑性自洽模型计算,建立了考虑镁合金微观变形机制的宏-微观力学模型,即考虑了微观基面滑移、柱面滑移、锥面c+a滑移及拉伸孪生等引起的多晶体的宏观应变、应变硬化及形变织构。对AZ31B镁合金板材沿轧向(RD)及法向(ND)单向拉伸与单向压缩实验研究,获得了应力应变曲线及织构演变规律。合金板材的初始织构为典型的板织构,力学性能体现出典型的各向异性和拉压不对称性,沿RD拉伸屈服强度比压缩屈服强度高出约70MPa,沿ND压缩屈服强度比拉伸屈服强度高出约58MPa;沿RD拉伸屈服强度比沿ND压缩屈服强度高出约27MPa,沿RD压缩时屈服强度比沿ND拉伸屈服强度高出约15MPa;沿RD方向拉伸与沿ND方向压缩时,力学曲线表现为“上凸”的形状;沿RD方向压缩与沿ND方向拉伸时,应力-应变曲线呈现“S”形。不同加载路径下,织构演变不同,当沿着RD压缩时,织构由初始平行于ND方向偏转为平行于RD;沿ND拉伸时,织构由晶粒c轴初始平行于ND偏转为平行于TD;沿RD拉伸及沿ND压缩时,织构没有发生明显偏转。通过宏-微观力学模型对单向拉伸和压缩变形进行有限元仿真计算,与实验获得力学曲线及织构相对比确定了宏-微观力学模型中的材料参数,其中基面滑移的初始临界剪切应力28 MPa,稳态临界剪切应力为22 MPa,初始硬化率235 MPa和最终硬化率11 MPa,柱面滑移的初始临界剪切应力89 MPa,稳态临界剪切应力为134MPa,初始硬化率264 MPa和最终硬化率62 MPa;锥面的初始临界剪切应力112 MPa,稳态临界剪切应力为220 MPa,初始硬化率4468 MPa和最终硬化率71 MPa;拉伸孪生的初始临界剪切应力48 MPa,其余为零。基于确定了材料参数的宏-微观力学模型对镁合金板材剪切变形的力学行为及织构演变进行仿真,其输出的剪切应力应变曲线和织构与实验结果吻合,验证了模型在简单应力下是准确的。利用缺口试样的拉伸实验结合宏-微观力学模型仿真结果建立了AZ31B镁合金板材的韧性断裂准则。设计了棒状及平面缺口试样,进行拉伸实验研究高应力三轴度下的力学行为及断裂行为;设计含剪切变形的平面试样,进行拉伸实验研究低应力三轴度下的力学行为及断裂行为;设计不同高径比的圆棒试样进行压缩实验,研究负应力三轴度下的力学行为。通过对断口形貌分析可知:在低应力三轴度下,断口形貌中含有很多剪切平面;在高应力三轴度下,试样断口形貌表现为韧窝型断裂。对不同试样进行宏-微观力学模型仿真输出织构表明,在高应力三轴度下织构不发生偏转,而在低负应力三轴度下织构发生偏转。基于宏-微观力学模型仿真输出不同试样的应力三轴度、Lode参数、等效断裂应变等。采用二次多项式及Johnson-Cook函数拟合了应力三轴度与断裂等效塑性应变之间的关系函数,在高应力三轴度下,随着应力三轴度增加,断裂等效塑性应变减小;在低应力三轴度下,随着应力三轴度增加,断裂等效塑性应变增加;在负应力三轴度下,随着应力三轴度增加,等效塑性应变减小。分别采用L-H模型及L-H-M模型建立应力三轴度、Lode参数与断裂等效塑性应变之间的三维关系函数。通过粒子群优化算法求解误差函数最小值及最小二乘法拟合,确定L-H模型及L-H-M模型中各个参数。通过与实验结果对比,发现通过粒子群优化算法求解误差函数法优于最小二乘法求解结果。最终,以基于粒子群优化算法求解误差函数确定L-H-M模型的材料参数为应用于镁合金板材成形中的韧性断裂准则。探明加载路径对预制孔洞平面试样韧性断裂行为的影响,同时验证了宏-微观力学模型在复杂应力下是准确的。宏观断口形貌上,轧面内试样呈现颈缩型断裂模式,而纵截面试样为与试样横截面成45°方向剪切聚合导致断裂。通过宏-微观模型模拟分析,输出孔洞在试样横截面方向及斜45°方向的应力三轴度及断裂塑性应变。通过分析预制孔洞不同位置的应力三轴度与断裂塑性应变关系发现,在与横截面成45°的两个孔洞之间中心处的应力三轴度处于低应力三轴度且对应的断裂等效塑性应变较小,在横截面方向孔洞附近为高应力三轴度在韧性断裂准则中对应的断裂等效塑性应变比较大。通过韧性断裂准则分析可以判断出造成面内试样断裂主要是因为高应力三轴度下发生颈缩,而纵截面试样断裂是因为低应力三轴度下孔洞剪切聚合。
【图文】：

示意图,镁合金,滑移,模式

1.2.1 滑移滑移是镁合金主要的塑性变形机制。在镁合金中，常见的滑移系按滑移面可以分为基面滑移与非基面滑移（包括柱面与锥面滑移），如图1-1和表1-1所示。而按滑

示意图,镁合金,模式,示意图

孪生类型有：{1012}、{1011}、{1013}等[10, 16, 17]，如图1-2所示。形变孪生具有极性，即孪生只发生在单向切变，其激活与加载方向有关。镁合金在c轴受拉时，容易产生{1012} 1011 拉伸孪晶[17]。在c轴受压应变时，产生{1011} 1012 压缩孪晶[16]。镁合金中{1012}拉伸孪晶的切应变为0.129，{1011}压缩孪晶的切变为-0.137。在分析研究中，大多数学者用旋转轴和旋转转角度来表示每种孪生类型。在镁合金中常见的一次孪生{1012}、、，，其对应的转角/旋转轴分别为86 / 1210
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22

【参考文献】