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金属的强烈塑性变形与考虑尺寸效应的细观本构关系

张静  
【摘要】:材料经受强烈塑性变形时其微观结构有很大的改变,导致材料的力学性质发生很大的变化。然而,其中的演化内在机制及其模型描述至今人们仍然没有很好解决。为了研究强烈塑性变形对材料性质的影响,本文结合等通道转角挤压(ECAP)试验和多晶塑性理论,对韧性材料的力学行为开展研究。 作者自行设计调试了ECAP模具,完成了金属材料铜、铝的ECAP试验。发现经ECAP处理后,材料屈服强度大幅提高和极限强度小幅度提高。研究经ECAP不同路径处理后材料的均匀性问题。采用试验与数值模拟技术分析了ECAP过程中压头压力的分布规律。编写了反映材料位错滑移变形物理机制的晶体塑性模型计算子程序。多晶塑性模型中通过引入背应力考虑循环载荷下材料力学行为响应,而且,在滑移阻力函数中考虑了材料的尺寸效应。利用多晶塑性模型分析ECAP过程中局部的应力应变分布规律。 本文研究工作的成果主要有: 1.完成了90°和120°两种转角角度的ECAP模具设计与调试,用这些模具可连续挤压出长达90mm的圆棒试件。 2.完成了经ECAP处理前后材料拉伸性能的测试与数据分析。试验发现:(1)材料经ECAP处理后,在不同挤压路径中屈服强度提高比例最大为312.5%,而极限强度提高比例为最大26.3%。(2)1道次处理对屈服强度提高最显著,多道次挤压中1道次强度提高贡献约为70%。(3)ECAP处理造成材料的塑性性能大幅降低,未挤压材料的延伸率约30%,而1道次挤压后约为7%。(4)在后续道次挤压过程中,材料塑性性能会略有提高。 3.经A、Ba、Bc、C路径以及8道次45。路径挤压的T3紫铜,在同一挤压试件不同部位截取试样进行了拉伸试验。发现无论何采用种路径挤压,材料拉伸性质均表现出有规律的不均匀现象,同一试件不同部位试样的截而强度不均匀系数最高可达24.6%。 4.利用ECAP试验研究了不同路径、不同道次挤压对于压头压力的影响规律,发现压头压力在不同路径与不同挤压道次条件下具有显著差异。 5.研究了多晶塑性分析模型,结合晶体滑移率表达形式的本构关系,编写了与ABAQUS接口的用户材料子程序(VUMAT)。模型考虑了背应力及其演化,考虑了材料单元中晶粒结构的尺寸信息,可以反映材料的屈服、流动过程中的晶粒尺寸效应,特别是可以反映应变循环过程的材料晶粒尺寸效应。 6.采用数值模拟,考虑不同模具参数、多试样连续挤压、材料参数、挤压试件长度、摩擦因子等方面对ECAP试验过程中压头压力变化规律的影响;并结合试验与数值模拟拟合了ECAP过程最大压头压力估算公式。 7.分析了经ECAP处理后挤压试件中头部效应的影响范围。采用应变不变量为参数分析了ECAP过程中挤压试件的变形状态和挤压试件通过模具转角过程中不均匀压缩现象。通过定义截面不均匀系数,分析ECAP过程中挤压试件的不均匀变形状态,与试验中同一挤压试件不同部位的拉伸强度的差异性吻合较好。 8.通过ECAP过程中应力状态分析,合理解释了试验过程中试件表面出现横裂纹的现象。 9.通过多晶塑性模型分析了ECAP过程中应力分布特征,计算显示了材料单元的应力是一定数量各向异性晶粒作用平均化的结果。在材料计算单元中因晶粒取向的差异在不同晶粒之间其应力具有较大的变化;这种差异性对于材料损伤演化与破坏具有重要影响。


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