金属塑性材料拉伸过程的细观模拟与声发射特性研究

发布时间：2017-05-15 14:13

  本文关键词：金属塑性材料拉伸过程的细观模拟与声发射特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：金属塑性材料的形变与断裂是石油化工设备中常见的失效形式。实际金属塑性材料在成形、加工和使用过程中往往会产生各种微观缺陷，材料的宏观力学性能很大程度上取决于其内部缺陷的发展。将细观与宏观研究方法相结合，建立相应的宏细观破坏理论是固体力学的发展趋势。材料的声发射过程是同力学过程及材料内部结构演化相统一的伴生现象，经过多年的发展与完善，声发射技术已经成为材料研究的有效工具。应用声发射技术来描述金属塑性材料在加载过程中微孔洞缺陷的损伤演化过程，对于深入了解材料损伤行为、评定材料性能及结构安全可靠性具有理论和现实意义。 本文结合黑龙江省自然科学基金项目《金属构件低周疲劳细观损伤机理及声发射评价方法研究》，以金属材料中存在的微孔洞缺陷为出发点，在细观损伤力学理论模型及材料微孔洞损伤演化过程的声发射特性基础上，开展金属塑性材料声发射量化评价方法的研究。以Q345钢和20钢Φ8mm圆棒缺口试件拉伸损伤断裂过程为例，采用声发射测试技术，，获取材料从屈服到断裂失效过程的声发射信息。应用ABAQUS有限元软件，以Gurson-Tvergaard-Needleman细观损伤模型为对象，分析缺口试件拉伸断裂过程细观损伤参量的数值演化情况，得到材料孔洞扩张比的数值解。结合声发射测试实验和数值模拟结果，建立基于孔洞扩张比为损伤变量的金属塑性材料声发射累积撞击计数量化评价公式。 金属塑性材料的细观损伤机理是微孔洞形核、长大及汇合的过程。实验表明，声发射累积撞击计数变化直接对应着材料的不同损伤阶段。孔洞扩张比是建立在金属塑性材料微孔洞损伤基础上的细观力学参数，是联系细观损伤特征与宏观力学参数之间的桥梁，孔洞扩张比的变化就直接反映着材料的劣化状态。数值模拟得到了Q345钢和20钢试件缺口前端不同损伤状态下的孔洞扩张比数值演化规律。通过构建声发射累积撞击计数与孔洞扩张比之间的函数关系，得出金属塑性材料从屈服到断裂过程分为线性损伤和非线性损伤两个阶段，并确定了Q345钢和20钢损伤临界转变点的声发射累积撞击计数值。这一临界转变值可以作为材料损伤临界状态的声发射识别特征及安全评定阈值。
【关键词】：细观损伤力学 声发射 Gurson-Tvergaard-Needleman模型 孔洞扩张比 数值模拟
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG115.52
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 创新点摘要7-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题研究目的与意义10-11
• 1.2 国内外研究和发展现状11-16
• 1.2.1 金属塑性材料损伤研究的宏细观背景11-12
• 1.2.2 细观损伤力学模型的发展及应用12-15
• 1.2.3 声发射在韧性损伤断裂中的应用15-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-17
• 第二章 金属塑性材料细观损伤力学模型与声发射源机制17-28
• 2.1 金属塑性材料的微孔洞损伤机理17-18
• 2.2 GTN 细观损伤模型18-21
• 2.2.1 Gurson 模型本构方程18-19
• 2.2.2 GTN 模型本构方程19-20
• 2.2.3 GTN 模型的微孔洞演化规律20-21
• 2.2.4 GTN 模型的特点及参数的选取21
• 2.3 临界孔洞扩张比理论21-24
• 2.3.1 临界孔洞扩张比判据22-23
• 2.3.2 临界孔洞扩张比判据的应用23-24
• 2.4 金属塑性材料宏细观损伤过程的声发射源机制24-26
• 2.4.1 韧性损伤过程声发射源机制24
• 2.4.2 声发射信号特性参量24-26
• 2.4.3 细观损伤变量与声发射特征参量关系26
• 2.5 本章小结26-28
• 第三章 金属塑性材料缺口试件声发射特性实验研究28-41
• 3.1 引言28
• 3.2 金属塑性材料缺口拉伸试件声发射测试实验28-33
• 3.2.1 圆棒缺口拉伸试件28-29
• 3.2.2 实验系统及声发射参数设置29-31
• 3.2.3 缺口试件的真实应力应变曲线31-33
• 3.3 声发射测试实验结果分析33-35
• 3.3.1 Q345 钢声发射实验结果及分析33-34
• 3.3.2 20 钢声发射实验结果分析34-35
• 3.3.3 两种材料声发射实验结果对比分析35
• 3.4 断口宏细观形貌分析及临界孔洞扩张比计算35-40
• 3.4.1 Q345 钢断口宏细观形貌36-38
• 3.4.2 20 钢断口宏细观形貌38-39
• 3.4.3 材料临界孔洞扩张比计算39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 金属塑性材料细观损伤数值分析及声发射量化评价41-55
• 4.1 引言41-42
• 4.2 金属塑性材料缺口试件的细观损伤数值分析42-50
• 4.2.1 细观损伤模型的建立42-43
• 4.2.2 数值计算结果与分析43-49
• 4.2.3 数值分析结果对比49-50
• 4.3 孔洞扩张比 VG的数值分析结果50-51
• 4.4 基于声发射累积撞击计数与孔洞扩张比 VG经验公式51-53
• 4.4.1 Q345 钢缺口试件声发射评价经验公式51-52
• 4.4.2 20 钢缺口试件声发射评价经验公式52-53
• 4.5 本章小结53-55
• 结论与展望55-57
• 参考文献57-60
• 发表文章目录60-62
• 致谢62-63
• 详细摘要63-74

【参考文献】

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本文编号：367995