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循环载荷下双相钛合金细观力学响应的数值模拟

李晓杰  
【摘要】:大量工程中的事故是由材料的疲劳破坏而引起。由于疲劳破坏对工程结构的危害很大,甚至经常会产生灾难性的事故,因此长期以来对疲劳理论及其在设计中的应用方法进行了大量的研究工作。Ti-6Al-4V是一种α/β型双相钛合金。由于其良好的综合力学性能因而应用非常广泛。为满足构件设计制造的需求,本文以双相α/β型钛合金Ti-6Al-4V为研究对象,主要进行了以下两个方面的研究并得到如下结论: 1.采用同时包含随动硬化和各向同性硬化的Chaboche模型,对Ti-6Al-4V在循环载荷下的弹塑性响应进行研究。本文为结构设计提供了利用Chaboche模型分析Ti-6Al-4V在循环载荷下力学响应的材料参数。所得结果与只考虑Ti-6Al-4V随动硬化行为的模型相比,与实验值更加吻合,改善了之前研究中的不足。采用数值模拟的方法再现了Ti-6Al-4V在周期载荷下的Bauschinger效应、循环软化、塑性安定等塑性变形行为。 2.确立了Ti-6Al-4V的α相和β相的循环塑性材料参数并建立了Ti-6Al-4V细观力学下的二维和三维有限元模型。采用二维细观力学有限元模型讨论了单调加载时微观应力应变不均匀性和循环加载时的塑性应变累积;采用三维细观力学有限元模型,通过引入基于局部塑性剪切应变的疲劳指示参数方法,讨论了a相体积分数、α晶粒尺寸、平均应力和应力比对Ti-6Al-4V细观力学下疲劳性能的影响。 研究表明:α相体积分数越大,对应的显微组织有限元模型能够达到的Pmpss (?)勺幅值越大。这可能是因为随着α相体积分数增大,屈服强度较大的层片状区域对其的约束越小。同时在较高的体积分数下,达到较大Pmpss值的单元数目越多;随着的α晶粒尺寸d增大,显微组织对疲劳裂纹萌生的抵抗能力随之下降;随着平均应力的增大,越来越多的单元发生了更大的局部塑性剪切应变。同时在最大应力高于拉伸屈服应力的时候,达到中间某一数量级别的Pmpss值的单元数目最多;在最大应力相同的情况下,随着应力比的提高,单元发生的Pmpss的幅值也越来越大。这主要是由于材料发生了较大的棘轮应变。


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