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金属塑性材料拉伸过程的细观模拟与声发射特性研究

王子兴  
【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。


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