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《东北大学》 2009年
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FCC金属冷加工织构演变的晶体塑性有限元模拟

司良英  
【摘要】:晶体塑性有限元模拟是将晶体塑性力学本构关系与有限元方法相结合,从晶粒尺度上模拟金属的塑性变形过程。晶体塑性力学本构关系将金属的塑性变形归结为位错的滑移和晶格的旋转,与传统的各向同性本构关系相比,晶体塑性力学本构关系更接近于金属塑性变形的物理本质。因此,晶体塑性有限元在模拟材料变形过程中织构演变及其对性能的影响等方面有着突出的优势。本文对晶体塑性有限元的软件实现,多晶几何建模及典型FCC金属纯铝在冷变形过程中的织构演变等方面进行了深入研究,主要研究内容如下: (1)通过开发用户自定义材料本构关系子程序UMAT,在大型有限元软件ABAQUS中实现了晶体塑性有限元模拟。首次将Bassani-Wu硬化公式引入到晶体塑性有限元模型中。通过本论文对不同冷变形工况的模拟,以及与实验观察的比较表明,开发的晶体塑性有限元模型是有效的。 (2)利用晶体塑性有限元模拟了纯铝单晶体的平面应变压缩变形,通过拟合前人实验所得应力应变曲线确定了材料本构模型中的参数。应用该套参数还准确地预测了多晶拉伸变形的应力应变曲线,表明该套参数能够反映材料本身的特点,且这些参数只与材料属性有关,而与加工工况及试样几何尺寸无关。 (3)研究了平面应变压缩变形过程中的织构演变,并分析了压缩过程中摩擦系数与压下量对织构演变的影响。模拟结果表明在摩擦系数小于0.15时,晶粒主要绕RD轴旋转,而摩擦系数大于0.15时,主要绕TD轴旋转。 (4)模拟了4种典型取向的纯铝单晶轧制变形过程。模拟结果显示立方取向、旋转立方取向为不稳定取向,Brass取向、Goss取向为稳定取向。单晶轧制过程中,晶粒主要沿TD方向旋转。本论文首次预测出轧后立方取向铝单晶将沿厚度方向出现4个与轧向平行的变形带。该结论与文献中实验结果完全吻合。 (5)利用Voronoi方法进行了多晶的几何建模,采用欧拉空间剖分法为晶粒赋予随机取向或典型织构占优的取向,并使用基于Python脚本及ABAQUS输入文件两种办法在ABAQUS CAE实现多晶模型。 (6)模拟了多晶的拉伸变形,通过建立典型取向占优的多晶模型与不同晶粒尺寸的模型分析了织构与晶粒尺寸对拉伸曲线的影响,分析了缩颈的成因以及其出现的位置,并研究了拉伸试样缩颈处晶粒的取向演变过程。 (7)模拟了纯铝多晶的轧制变形,研究其变形过程中织构演化过程,与各晶粒的应力应变不均匀分布,分析了晶界及晶粒初始取向对晶粒变形的影响。接触压力和接触摩擦应力分析表明,在晶界处接触压力和接触摩擦应力有急剧变化。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG111

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