耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料响应行为建模与仿真研究

发布时间：2020-10-20 16:20

　　 随着微小型零件在航空航天、微电子、环境、通信、汽车、生物等诸多领域的广泛应用,使得对介观尺度加工工艺要求愈来愈高,介观尺度加工过程中的现象与机理也随之受到国内外学者的关注。对于介观尺度的研究,重点关注了介观尺度材料测试和介观尺度切削,介观尺度研究并不仅仅是宏观尺度上尺寸的减小,还存在着尺度效应,微观参数的影响和最小切削厚度等新的理论与工艺问题,因此需要有针对性地从微观力学和材料结构方面对其进行仿真分析和试验研究。(1)基于弹塑性力学理论和位错动力学,对经典的Johnson-Cook(JC)本构模型进行修正,引入位错塞积模型并在本构中考虑了晶粒尺寸和晶体取向等微观参数,建立能够体现尺度效应的介观尺度材料响应行为本构模型。(2)进行介观尺度材料测试实验(准静态拉伸实验,动态霍普金森压杆实验)。采用非标准件进行材料测试实验并且采用相应的热处理工艺改变样件晶粒尺寸大小,最终确定本构关系中各个参数的值。针对耐热不锈钢X8CrNi25-21,建立了适用于介观尺度的材料本构模型。(3)应用Fortran语言对ABAQUS有限元软件的本构模型进行二次开发,根据上述建立的本构关系,基于材料力学中弹塑性理论,完成VUMAT子程序的开发,并将子程序应用到ABAUQS中进行正确性的验证。(4)为了验证建立的介观尺度本构模型的正确性和合理性,采用硬质合金刀具对耐热不锈钢X8CrNi25-21进行微细切削试验,同时进行切削仿真分析,并将仿真结果与实验结果进行对比,完成仿真模型的验证工作。研究表明,宏观多晶体材料塑性变形过程中,材料可被看成是均质的、各向同性的,其变形行为不仅依赖于试样尺寸,而且依赖于材料的晶粒尺寸。随着试样尺寸的减小或晶粒尺寸的增加,材料的非均匀性增加,各向异性的单个晶粒的属性对试样整体变形行为的影响越来越大,具有明显的试样尺寸依赖性,并导致其“硬化”效果强于晶粒空洞引起的“软化”效果。在修正的过程中相当于增加了一个随应变增大的硬化项,通过介观尺度材料测试实验和微切削实验的仿真分析,修正的JC模型与实验结果吻合较好。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TG506
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景与意义
    1.2 耐热不锈钢X8CrNi25-21基本特性
    1.3 介观尺度材料测试研究现状
    1.4 介观尺度切削去除机理研究现状
    1.5 材料特性尺寸效应研究现状
        1.5.1 宏观尺度金属切削试验和有限元仿真现状
        1.5.2 介观尺度金属切削试验和有限元仿真现状
    1.6 论文主要研究内容与框架
第2章 材料本构与有限元仿真
    2.1 材料本构与有限元仿真分析原理
    2.2 材料测试与切削仿真建模
        2.2.1 二维有限元仿真建模
        2.2.2 几何与材料模型
        2.2.3 本构模型在有限元中的实现
        2.2.4 网格划分与网格边界划分
    2.3 宏观尺度有限元仿真分析
        2.3.1 宏观尺度拉伸有限元仿真分析
        2.3.2 霍普金森压杆实验有限元仿真分析
    2.4 本章小结
第3章 介观尺度材料响应行为分析
    3.1 介观尺度本构模型分析
        3.1.1 介观尺度本构模型推导
        3.1.2 介观尺度本构模型建立
    3.2 用户材料子程序VUMAT开发流程
    3.3 子程序应力更新算法
    3.4 本章小结
第4章 介观尺度材料测试试验与仿真
    4.1 材料准静态测试试验
        4.1.1 试样的设计与准备
        4.1.2 实验方案与结果
        4.1.3 晶粒尺寸的影响
    4.2 材料动态测试试验
        4.2.1 试样的设计与准备
        4.2.2 实验方案与结果
    4.3 宏观尺度和介观尺度本构模型的拟合
    4.4 介观材料测试仿真分析
    4.5 本章小结
第5章 介观尺度切削仿真与试验验证
    5.1 直角自由车削实验
        5.1.1 实验方案
        5.1.2 试验参数及设备
    5.2 切削力测量结果
    5.3 仿真模型验证
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 研究内容总结
    6.2 研究成果及创新点
    6.3 材料本构模型展望
参考文献
致谢

【参考文献】

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1 师超;微切削过程材料的本构关系建模与尺度效应仿真[D];华中科技大学;2012年

本文编号：2848895