车用铝合金变形损伤和断裂机理研究与材料表征及有限元模拟

【摘要】： 汽车轻量化是节能、环保以及经济发展的需求。铝及其合金因其较小的密度、良好的塑性、以及较高的比强度已成为汽车车身轻量化设计中考虑采用的重要轻质材料。交通工具一个重要性能指标就是耐撞击性。铝合金汽车构件在撞击的过程中,构件上的应力状态及应变速率各点均不相同,而且在撞击的过程中各点的应力状态及应变速率还随着时间变化而变化。用有限元分析方法模拟铝合金碰撞是研究铝合金构件耐撞击性的重要方法,利用计算机模拟技术进行空间框架结构的变形、吸能和失效模式的研究可以缩短开发周期,降低开发费用。但是这些有限元分析软件在实际应用中仍存在许多问题,有时其模拟结果与试验结果存在较大的差异。究其原因不是有限元软件本身的问题,而是在有限元建模时缺乏准确的描述材料变形行为的本构关系以及描述材料失效和断裂的损伤模型。本论文通过大量的实验研究以及各种力学参数的测定,建立可以描述铝合金材料在不同应力状态及不同应变速率下变形的本构关系及其微观结构损伤演化破坏规律,为正确的有限元模拟奠定基础。围绕上述问题本文从以下几个方面进行了研究。 考虑到挤压材料的各向异性效应对模拟结果的精确性造成一定的影响,本文首先对挤压6063铝合金(T5)材料挤压方向与拉伸方向成0°,45°,90°的材料力学性能进行了表征,同时为后续试验中试样的取样方式提供必要的理论依据。 本文设计出蝶形试样及Arcan夹具,通过蝶形试样和Arcan夹具进行不同角度的拉伸试验研究了铝合金在不同应力状态下的损伤与断裂行为。结果表明:在不同应力状态下,铝合金所表现出的力学性能明显不同:随着三轴应力度的减小,载荷—位移曲线上峰值载荷逐渐减小,断裂应变逐渐增大。随着三轴应力度的减小,材料的损伤方式变化规律为微裂纹和微孔洞—微裂纹—局部剪切带和微裂纹。随着三轴应力度的减小,韧窝断裂机制减小,剪切断裂机制增大。不同三轴应力度的试样最终的宏观断裂方式可以用统一的拉伸断裂判据进行描述。 通过不同应变率下的平板拉伸试验,本文研究了铝合金材料在不同应变率下的力学性能及变形断裂行为。结果表明:铝合金基本上是应变率不敏感的材料。在中低应变率的范围内,随着应变率的增大,铝合金的屈服强度略有增大,断裂应变略有减小,断裂强度和抗拉强度基本不变。在高应变率的范围内,材料的应变率敏感性显现出来:随着应变率的增加,材料的屈服强度和抗拉强度均增大,断裂应变也增大。当应变率到达一定的临界值时,材料中出现了反向应变弱化效应。在不同应变率范围内,试样中损伤形式均是以微裂纹为主导的损伤,但是微裂纹产生的形式有所不同:在中低应变率下,相邻晶粒的变形不协调造成微裂纹在晶粒边界首先产生,试样中的微裂纹的长度较大;在高应变率下,由于快速剪切机制起主要作用,材料中基本都是沿着晶粒边界产生的短裂纹。随着应变率的增大,断口上的韧窝越来越具有明显的方向性。同时断口上剪切平面所占的比例也越来越多,即随着应变率的增加,材料的剪切断裂机制的趋势增加。不同应变率下的屈服强度和抗拉强度的应变率强化行为可以用修正的幂次强化模型来描述。 本文设计出可以产生接近纯剪切应力状态的拉伸剪切试样。通过不同剪应变率下拉伸剪切试验,研究了铝合金材料在不同剪应变率下的力学性能及变形断裂行为。研究结果表明:在中低剪应变率下(γ:0.01～5.56s~(-1)),剪应变率对铝合金强度没有多大影响,这进一步说明了铝合金是率无关性材料。剪应变率对铝合金影响最大是剪切断裂应变。随着剪应变率的增大,剪切断裂应变按幂指数减小,不同剪应变率对拉伸剪切试样的断口形貌几乎没有影响。 本文设计出可以产生不同应力状态的原位拉伸试样。通过不同应力状态下的原位拉伸试验,本文研究了铝合金材料拉伸断裂的整个变形过程。研究结果表明:铝合金材料的晶粒边界是其最薄弱环节,大量的微裂纹均产生于晶界。原位拉伸试件形状的不同,试样最小截面上的三轴应力度分布不同(即正应力和剪应力分布不同),所以裂纹产生和扩展的动力及方式也不同。0°原位拉伸试样中的正应力较大,剪应力很小,所以裂纹的产生及扩展主要是在正应力作用下完成的;45°原位拉伸试样中既有正应力也有剪应力,所以裂纹在剪应力作用下产生,而在正应力的作用下扩展;90°原位拉伸试样中的剪应力很大,而正应力很小,所以裂纹的产生及扩展是在剪应力作用下完成的。随着试样中三轴应力度的降低,试样表面的滑移变形带与加载方向的角度逐渐减小,断裂方式从正断向剪断转变,断口形貌也变得越来越平整光滑。 在以上试验研究的基础上,本文用G-T-N损伤模型和Johnson-cook损伤模型系统地对铝合金材料在不同应力状态和不同应变率下损伤和断裂行为进行有限元模拟。模拟结果表明:当三轴应力度介于0～1/3时,一般采用Johnson-cook损伤模型进行模拟;当三轴应力度高于1/3时,用G-T-N损伤模型模拟基本上可以得到比较满意的结果。同时,可以用G-T-N损伤模型模拟不同中低应变率的平板拉伸试验。模拟结果显示:在中低应变率的条件下,损伤参数中的临界孔洞体积分数f_c对网格尺寸和应变率不敏感;但在高应变率的条件下,损伤参数f_c和f_F对有限元模型的网格存在依赖性:当网格尺寸较大时,f_c和f_F的值较小。同时,在相同的网格尺寸下,通过不同应力状态下G-T-N损伤参数拟合可以得出G-T-N损伤模型中f_c和f_F随着三轴应力度的变化关系式,为后续采用G-T-N损伤模型进行有限元模拟所需损伤参数提供依据。同时模拟还表明原始孔洞体积分数f_0对临界孔洞体积分数f_c有着不同的影响:当f_0非常小时(f_0≤0.001),三轴应力度对临界孔洞体积分数没有多大影响;当f_0比较大时(f_0＞0.001),三轴应力度对f_c产生影响。为了验证材料模型、损伤模型及材料表征方法的正确性,将G-T-N损伤模型和Johnson-cook损伤模型分别代入汽车铝合金部件薄壁方管挤压试验的有限元模拟进行验证。验证结果表明:与Johnson-cook损伤模型相比,用G-T-N损伤模型对铝合金薄壁方管进行有限元模拟,无论从载荷—位移曲线上还是从失效单元形态上都与试验比较接近,即G-T-N损伤模型基本上可以模拟薄壁方管在挤压过程中的变形与断裂行为。