一种基于物理机制的后继屈服面演化模型

考虑滑移为晶体塑性的主要变形机制,推广晶体塑性理论至多晶体,建立滑移构元模型,研究了后继屈服面的移动和畸变等演化规律.基于滑移构元的潜在硬化和包氏效应的影响,后继屈服面的前端凸出,尾部缩进,呈现"前凸后扁"的特征.计算了单轴拉伸、纯扭转和拉-扭组合比例/非比例加载下的后继屈服面演化过程,与已有实验结果相符合.

多晶Cu在双向加载下的后继屈服与塑性流动分析

采用晶体塑性理论并结合多晶集合体模型来研究多晶Cu的塑性变形,用双向加载方式模拟材料的双向应力状态和分段加载路径,得到了材料的初始屈服面及在预剪切和预拉伸2种情况下的后继屈服面.通过对后继屈服面形状及其演化趋势的研究,探讨了用晶体塑性理论分析多晶材料塑性流动规律的方法.结果表明:后继屈服面的形状和是否出现尖角与屈服点的定义有关,同时还与π平面上的预加载方向有关;通过对多晶集合体代表性单元的塑性流动方向与后继屈服面法向的差异进行统计分析,发现塑性流动的正交性不仅与屈服定义相关,也与预加载方向有关.

纯铜后继屈服面的测试与晶体塑性模型模拟

通过纯铜薄壁圆管试样的实测和晶体塑性模拟,用单试样法和多试样法对分别经历拉伸、扭转和组合拉扭变形的试样后继屈服面进行研究.考虑预变形方式、测点数目、测试顺序和指定平移应变等不同条件,对后继屈服面测定结果差异及屈服面内凹现象进行探讨.在此基础上,比较了单试样和多试样两种方法的合理性与有效性.数值模拟采用能反映Bauschinger效应的晶体塑性模型,试样有限元模型每个单元的晶体取向均随机生成,能反映多晶材料变形特征.模拟试验加载过程与真实试验一致.研究表明:(1)采用本文方法可再现真实试验过程,模拟后继屈服面测试展示的现象与实测相近,证实了方法的有效性和合理性;(2)模拟测试与实测均发现,薄壁圆管组合拉扭加载测得的后继屈服面可能出现内凹,单试样法测得屈服面的内凹现象尤为显著;(3)若试验材料的材质比较一致,用多试样法测试后继屈服比用单试样法更合理.

双相钢温拉伸的后继屈服行为

采用单向和双向十字温拉伸实验,研究B240/390DP冷轧钢板温成形后的后继屈服行为,发现Hosford屈服准则能很好的描述其后继屈服行为。基于Hosford屈服准则,研究了成形温度、应变速率、冷却速率和预应变等工艺参数对材料后继屈服行为的影响。结果表明,从温成形后制件的安全性角度考虑,应变速率和冷却速率需在一个合理的范围;相对于应变速率和冷却速率而言,成形温度和预应变对材料温拉伸后继屈服行为影响更加显著,提高成形温度、增加温成形阶段的变形量,有助于提高温成形制件的安全性,但当预应变超过1.2%后,采用Hosford屈服准则预测材料温拉伸后继屈服行为会产生较大的误差。该文研究结果对优化温成形工艺方案、确保温成形制件的安全性具有重要的意义。

45号钢后继屈服与塑性流动试验的Chaboche模型分析

为检验Chaboche率相关本构模型对材料屈服与塑性流动行为的描述能力,编写了ABAQUS材料用户子程序UMAT,结合预拉伸变形后的45号钢拉扭组合试验,用Chaboche粘塑性模型进行了宏观尺度的材料屈服特性和塑性流动规律的数值分析。该模型可以准确的描述材料不同应变幅值的试验循环滞回特性;当用较大平移应变定义屈服时,试验和数值模拟得到的后继屈服面形状均接近于圆;用较小平移应变定义屈服时,Chaboche模型计算的屈服面与试验得到的后继屈服面形状差异较大。模拟计算的塑性流动方向符合正交流动法则,而试验测得的塑性流动方向和正交方向存在一定偏差,定义屈服的平移应变越小,两者偏差越大。研究结果表明:Chaboche塑性本构模型能够描述较大平移应变定义的屈服面的膨胀和移动,但不能描述小平移应变定义的屈服面的形状变化。

一种后继屈服函数及其在弹塑性有限元中的应用

构造了一种在π平面上为椭圆的后继屈服函数 ;并将其应用于干涉孔及冷胀孔问题的弹塑性有限元分析当中。从分析结果来看 ,该屈服函数的应用 ,不仅在冷胀孔问题方面取得了较好的分析结果 ,而且在干涉孔问题方面 ,分析结果也出现了和试验结果更为接近的趋势。本文提出的这种椭圆型后继屈服函数是通过改变屈服函数以解决弹塑性问题的大胆尝试 ,为改进弹塑性问题的求解方法提供了又一新的思路。

不同后继屈服函数在弹塑性有限元中的应用评估

构造了一种在 π平面上为椭圆的后继屈服函数 ,将该屈服函数、“Tresca”及“Misses型”后继屈服函数分别应用于干涉孔及冷胀孔问题的弹塑性有限元分析 ,并对这三种屈服函数在弹塑性有限元中的应用进行了评估。本文三种屈服函数在弹塑性问题中的应用评估对更有效地解决工程中的弹塑性问题有着实际的应用价值。

固体材料的塑性功率方程与后继屈服函数

依据内变量塑性理论,给出以内变量表示的塑性屈服与静水压力无关、塑性屈服与静水压力有关的两类固体材料的塑性功率方程.由塑性功率方程得到用内变量表示的两类固体材料的后继屈服函数,并建立了塑性功率方程与后继屈服函数的联系,总结出由固体材料塑性功率方程得到后继屈服函数的方法.

多晶铜后继屈服面的试验分析

介绍用退火多晶铜薄壁管件进行拉扭组合试验的数据结果,研究拉伸预应变和扭转预应变下的后继屈服面的形状及演化趋势。通过试验分析,讨论不同的屈服点定义对后继屈服面描述的影响。所得结果表明,试验所得后继屈服面表现为与预加载方向相关;预扭转试验的后继屈服面在预加载方向上可以出现明显的尖点现象,而后继屈服面尖点与屈服定义有关;若采用平移应变法确定屈服应力,平移应变取值越大,后继屈服面在非预加载方向扩张越大且后继屈服尖点现象越不明显。

多晶Cu屈服及后继屈服拉扭实验的晶体塑性数值分析

针对预拉伸和预扭转变形后的拉扭组合实验,用多晶集合体模型为代表性单元,结合晶体塑性理论对多晶Cu进行了晶粒尺度的屈服特性研究,采用子模型法对晶粒尺度的代表性单元模型和多晶Cu试样拉扭实验进行跨尺度材料力学行为分析.结合对多晶集合体的后继屈服面形状及演化趋势的研究,探讨不同加载路径和不同屈服点定义对材料后继屈服面的影响;通过对不同加载路径多晶Cu非均匀性的统计分析,探讨加载历史对多晶材料细观塑性变形不均匀性的影响.分析结果表明:后继屈服面的形状和尖角效应的出现与预加载方向和屈服定义有关;加载路径不同,多晶体内变形不均匀性的差异很大.运用子模型的晶体塑性模拟与后继屈服实验的结果有较好的一致性.

有限变形下的后继屈服面演化规律研究

有限变形下的后继屈服面会出现膨胀或收缩,移动和畸变等变形特征。基于塑性变形的滑移机制,建立了适用于有限变形条件下的多晶塑性本构模型。提出了一种混合硬化假设,可以一致描述后继屈服面演化中的等向、运动和畸变硬化以及正或负交叉效应、包氏效应等。预测了2种加工硬化铝合金(Al6061-T6511和annealed1100Al)分别在单轴拉伸和纯扭转下的后继屈服面演化过程,与已有实验结果符合一致。

金属的后继屈服面研究—单试样与多试样测试

采用退火45号钢薄壁试样进行拉扭组合试验,测试材料经历预拉伸后的系列后继屈服面.试验采用平移应变法定义屈服应力,讨论了不同的平移应变、预变形程度对后继屈服面测试结果的影响;试验分别用单试样法和多试样法进行,分析讨论了两种方法的合理性与局限性.试验研究得到以下结果:(1)单试样法和多试样法确定的初始屈服面的形状与Mises圆很接近;(2)单试样法屈服点的测试顺序对所测得的屈服面的形状有很大影响,第一测试点与预加载方向相反时,所得屈服面会出现"内凹"现象,而若改变测试顺序,可不再出现"内凹";(3)单试样法测得的后继屈服面与测试的屈服点数密切相关,当测试的屈服点数较多时,所得结果因累积塑性应变引起的应变强化作用而出现较大的偏离;(4)单试样法与多试样法测得的后继屈服面形状和大小有较明显的差异,测试过程中塑性变形的积累对单试样法的测试结果有明显影响,采用多试样法研究屈服面演化更为合理;(5)多试样法若采用较小目标平移应变定义屈服,测得的后继屈服面也出现轻微内凹.

双轴拉伸应力下后继屈服面的演化研究

屈服面的位置和形状直接影响着材料塑性应变的确定。针对双轴拉伸应力下金属材料的塑性行为,以一种弹塑性损伤本构理论为基础,研究了后继屈服面在拉-拉应力空间中的演化。考虑了有限变形效应和耦合硬化效应,给出了屈服面的确定方法,并预测了拉-拉应力空间中的初始屈服面(IYS)和后继屈服面,预测结果显示本文提出的理论模型能一致描述出后继屈服面演化中的前端尖点效应、尾部包氏效应、膨胀/收缩以及移动和畸变。针对两种加工硬化材料(Al 6061-T 6511和Annealed 1100Al)承受轴向拉伸、环向内压、轴向-环向混合比例加载时的后继屈服面,将模型预测的结果与文献中的实验结果进行对比。结果表明,所提模型能较好地预测后继屈服面的演化,并能分析其物理机制,为后继屈服面的演化研究提供了一种可行的方法。

金属薄板厚向异性系数R值的确定方法及其在后继屈服中的演化

冷轧金属薄板的厚向异性系数R值通常被当做常数用于确定本构模型的各向异性参数,为了提高各向异性本构模型的预测精度,必须考虑R值的演化。以低碳钢材料为研究对象,对比分析了现有三种R值求解方法的使用条件及其局限性。在此基础上,提出了一种变R值的逆向求解方法,并给出了在二次函数和指数函数条件下的解析模型。揭示了不同方法计算的R值的显著差异是由塑性应变曲线斜率的计算误差引起的。考虑金属薄板的面内各向异性,基于塑性功等效原理,给出了DC04R值随塑性功和方位角的演化。结果表明,对于低碳钢材料,随着单向拉伸塑性应变的增加,R值的演化规律的总趋势是下降的。此外,该R值逆向确定方法不仅具有较高的求解精度,且表达形式简单,更便于考虑后继屈服各向异性演化的本构模型的二次开发和应用。

应力空间和应变空间的后继屈服面演化

屈服面的位置和形状直接影响材料塑性应变的确定。考虑滑移是晶体的主要塑性变形机制,介绍了晶体塑性理论的推广——滑移构元模型,研究了应力空间和应变空间的后继屈服面演化。给出了确定应力空间和应变空间屈服面的数值计算方法,提出一种考虑屈服面畸变变形的混合硬化假设,可以描述应力空间和应变空间后继屈服面的移动和畸变变形。通过计算1100-O铝在纯扭转和拉扭组合加载下(σ11-σ12)空间和(ε11-γ12)的后继屈服面演化,与已有实验结果吻合。研究结果表明,无论是在应力空间还是应变空间,后继屈服面"前凸后扁"的变形特征可基于滑移构元的潜在硬化和包氏效应来描述。

不同预加载对聚酰胺66后继屈服强度影响的研究

利用万能试验机对施加了不同预加载位移的聚酰胺66(PA66)试样在3种不同应变率条件下进行单轴压缩、剪切和复合压剪测试,研究预加载和应变速率对材料力学性能的影响。结果表明,不同预加载位移下PA66的后继屈服行为和硬化行为都表现出显著的应变率敏感性,且预加载位移的大小对PA66后继屈服强度有明显的影响。在压缩和剪切复合加载实验中,利用压剪杆试样(SCBS)的测试方法引入了4种不同的加载角度(15°、30°、45°、50°);对不同预加载位移的PA66后继屈服正、剪应力进行分析可知,4个角度的正、剪应力均随着预加载位移的增加而增大,基于此引入改进的von-Mises(MMC)屈服准则,对测试得到的不同应变率下PA66的实验屈服轨迹进行理论描述。进一步结合von-Mises等效塑性应变标定了预加载后PA66后继屈服面的演化参数,结果表明,在一定的塑性应变范围内PA66的后继屈服行为表现出等向强化的加工硬化规律。

粉末烧结材料屈服条件研究和进展

介绍了粉末烧结材料屈服条件研究现状和粉末烧结材料屈服条件基本形式 ,分析了几种典型的粉末烧结材料屈服条件 ,从临界弹性变形比能的角度说明了粉末烧结材料屈服的物理意义。基于粉末烧结材料屈服和变形的物理性质 ,揭示了粉末烧结材料后继屈服与应力球量、应力偏量、基体材料性质、粉末烧结材料初始相对密度、变形中的相对密度以及加工硬化之间的关系 ,进而建立了粉末烧结材料屈服条件和后继屈服条件的统一表达式。介绍了粉末烧结材料屈服条件的简化和应用 ,指出熔铸致密材料屈服条件是粉末烧结材料屈服条件的特例。通过算例求解了粉末烧结材料等静压变形力和纯剪变形力。结合烧结铜屈服、变形计算 ,将粉末烧结材料屈服条件外推到了松装粉末状态和全致密状态时 ,仍然符合实际情况。

修正的Hill48屈服模型构建及验证

为了提高金属薄板各向异性行为的预测精度,在分析原始Hill48屈服方程内在关系的基础上,将应力主轴方位角引入各向异性参数,建立了适用于平面应力状态的Hill48修正模型。通过构造修正系数来修正单向加载应力和双向对称应力,通过从单向加载应力到双向对称应力的线性插值来描述双向非对称应力状态。结果表明,修正模型仍然保持了简单的二次函数形式,并可在关联流动准则下应用,其各向异性参数求解方程为显式方程,可由实验数据直接确定。以低碳钢和高强钢为研究对象,分别进行了单向拉伸和双向拉伸实验,所得材料性能数据分别用于修正模型的初始屈服和后继屈服预测验证。结果表明,修正模型不仅能同时预测单向拉伸屈服应力、r值和双向拉伸塑性功轮廓,且能够较好地描述塑性功轮廓在后继屈服中的演化。

基于三阶贝塞尔曲线的屈服轨迹描述及演化模型的研究

为描述材料在塑性成形中的复杂硬化行为,提出了一种基于三次贝塞尔曲线的屈服轨迹离散插值型描述方法,以及后继屈服轨迹演化模型。针对Khan A S等采用Al6061-T6511铝合金进行拉伸-扭转复合预加载后,采用10-5量级的屈服应变阈值时,二维应力空间屈服轨迹表现出极其强烈的大小、中心点和形状变化的实验结果,构造了相应的离散插值型屈服轨迹数值模型,通过拟合实验结果得到了各预应变条件下的曲线参数;提出了描述后继屈服轨迹大小、中心点和形状变化的拟合模型以描述材料的各向同性强化、随动强化和畸变强化行为。与采用应力不变量的建模方法相比,这种屈服模型是依据屈服轨迹的几何形状建立的,具有较大的灵活性。

软弱岩石峰后应变软化力学特性研究

软弱岩石给采矿工程中巷道支护和维护带来一系列棘手的问题,深入研究软弱岩石受力变形、破坏的机制和规律,对于保证巷道围岩的安全和稳定具有十分重要的意义。通过对软弱泥岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的全应力–应变关系曲线,然后依据峰后岩石任意一点应力状态均满足Mohr-Coulomb极限破坏条件的假设,建立以广义黏聚力■和广义内摩擦角■两个状态参数来表征的软弱岩石后继屈服面模型。在此基础上,利用试验数据绘制岩石峰后不同软化状态时的几组莫尔应力圆,通过"切线法"得出莫尔强度包络线的拟合方程,进而确定出不同围压条件下的■和■值,并借助Matlab软件对广义黏聚力■、广义内摩擦角■与等效塑性剪切应变、围压之间的关系进行最小二乘曲面拟合,得出软弱岩石峰后力学参数的软化规律,结果表明:随着围压的增加,广义黏聚力c值呈快速增加的趋势,而广义内摩擦角■值则显著减小;广义黏聚力■受岩石软化程度的影响也十分明显,从岩石峰值状态到残余状态■值迅速降低,平均降低53.88%,而广义内摩擦角■值在该软化过程中则基本保持稳定。最后,将得到的广义黏聚力■和广义内摩擦角■的拟合方程嵌入到FLAC内置应变软化本构关系中,并利用FLAC3D软件对模型的正确性进行数值模拟验证,结果表明数值模拟曲线与试验曲线比较吻合。