非比例循环塑性和循环粘塑性本构描述的某些新进展

金属材料循环塑性本构方程和循环粘塑性本构方程是固体力学中近１０多年来一个十分重要的领域。本文评述了金属材料非比例循环塑性界限面本构理论、内时理论和循环粘塑性本构理论及其某些进展，对某些模型中非比例度定义，材料在复杂应变幅值历史、非比例循环加载历史以及其它历史下的强化规则和流动规则进行了分析与评价，在此基础上对循环本构理论的发展趋势提出自己的看法。     

考虑路径相关性的非比例循环塑性本构模型

根据非比例加载下金属材料响应的延迟特性及加载路径相关性,选取沿应力迹法向的塑性应变的累积量作为非比例加载影响的度量,相应给出反映非比例附加强化的变量,并假设其模量和强化率与加载路径的几何参数相关．为反映由于非比例加载而引起的材料强化的异向效应,在Valanis的塑性内时响应方程中引入与加载路径几何性质有关的应力项,构成非比例循环塑性本构关系．对316和304不锈钢材料在一些典型非比例循环加载路径下的应力响应进行了理论预测,与Benallal等及McDowell的实验结果取得了良好的一致．     

对316L不锈钢的非比例循环粘塑性本构描述

对循环硬化的３１６Ｌ不锈钢提出了一个考虑非比例循环加载下流动和硬化特性的粘塑性本构模型。模型中，通过随动硬化的背应力演化以各向同性阻力演化非比例循环路径及其历史的依赖关系来表征材料的非比例循环附加硬化和非比例循环流动特性，将模型用于预测３１６Ｌ不锈钢的圆形，正菱形应变路径的复杂循环变形行为，其预言结果与实验结果吻合很好。     

率相关非比例循环塑性内时本构模型

将材料响应的总应力表示为平衡态应力和非平衡成过应力的和，分别定义描述率无关和率相关变形过程的内时，在平衡态响应的描写中，假定反映非比例加载效应的附加等等向强化和异向强化函数与沿应力迹法向的塑性应变分量的累积量相关，并在其中考虑加载路径几何性质变化的影响，建立一组率相关非比例循环塑性内时本构方程，对ＸＣｒＮｉ１８．９不锈钢在不同加载率下的单轴比例和多轴非比例响应进行预测，与Ｈａｕｐｔ和Ｌｉｏｎ的实验     

非等温条件下非比例循环粘塑性本构描述

为了描述在非等温非比例循环加载下的循环变形行为，本文提出了一个考虑材料非比例循环附加硬化效应、非比例循环加载历史效应和温度历史效应的粘塑性本构模型．在该模型中，引入了具有三种不同演化速率的背应力演化方程；定义了新的非比例度；为了反映非比例循环历史和温度历史的影响，引入了表现各向同性变形阻力Ｑａｓｍ，并对各向同性的表现变形阻力引入了具有先前加载历史记忆的演化方程．将本文模型用于１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢高温循环变形行为描述，其预言结果与实验结果吻合得很好．     

SS304不锈钢高温非比例多轴循环变形行为的粘塑性本构描述

在350℃和700℃下SS304不锈钢的非比例多轴循环变形行为进行了系统的实验研究。在此基础上,在统一粘塑性本构理论的框架下改进和发展了一个新的循环本构模型。该模型给出了新的背应力演化方程,引入了非比例度参量,考虑了温度效应和最大塑性应变幅值记忆效应,能够对材料的高温非比例多轴应变循环变形行为和棘轮行为进行统一描述。模型的模拟结果与实验结果比较表明:该模型对SS304不锈钢高温非比例多轴循环变形行为的描述比较合理。     

基于塑性应变能复杂应力场非比例加载疲劳寿命分析

本文提出了一种以应变能预测多轴应变加载低周疲劳寿命的新方法,该方法最大特点假设疲劳裂纹是由最大剪应力和其相对应的正应力引起,解决了其他方法不能反映非比例强化的问题;该方法建立等效内应力、外加有效应力与塑性应变能的关系,从而分析得到基于塑性应变能的多轴非比例疲劳寿命的计算模型,及多轴疲劳寿命公式中材料参数确定、剪应力及其所在平面所对应的正应力、塑性应变能等的获取方法.凭借Al5083、S460N材料光滑试件、GH4169材料缺口件、Al5083焊接件的多轴非比例加载进行寿命预测的验证,证明该模型可以预测不同材料、不同加载路径下的多轴非比例应变加载低周疲劳寿命.     

裂纹尖端疲劳塑性区研究

循环塑性区大小是疲劳断裂研究中非常重要的一个参数.本文运用数值方法,考察了不同塑性本构模型、有限单元尺寸、几何非线性、载荷比等参数对于裂纹尖端疲劳塑性区大小的影响.结果发现除塑性本构模型外其他参数对于裂纹尖端疲劳塑性区大小影响不大.同时对Ⅰ、Ⅱ型混合裂纹在多轴非比例载荷下给出了由Jiang和Kurath定义的疲劳塑性区...     

非比例循环塑性内时本构关系研究

在Valanis的内时本构理论的框架中,引入内结构张量以反映由于非比例加载而引起金属材料的附加等向强化及异向强化效应,同时提出材料强化程度的度量采用沿路径法线方向的塑性应变分量来描述.这些考虑的有效性已经通过用所建模型对304不锈钢材料在一些典型非比例循环加载路径下的响应进行的理论预测得到了验证;将该模型应用于U71Mn材料室温单轴棘轮行为描述中,结果显示内结构张量的引入不仅能较好地反映应变控制下的非比例附加效应,而且也能较好地反映应力控制下塑性应变的累积及变化率.     

复杂荷载下疲劳的非比例硬化数值模拟

许多统计资料表明,在所有的力学破坏中,由交变载荷作用引起的疲劳断裂破坏,占50%～90%.复杂荷载下(多数为非比例荷载)引起的疲劳响应是当前疲劳实验、理论和数值分析所关注的问题之一,也相继出现了很多描述非比例硬化的实验、理论和模型.本文应用Jiang-Sehitoglu疲劳塑性模型,引用了一系列材料参数,考虑屈服面大小的变化,在非比例加载条件下考虑到材料的非比例硬化,对具有典型非比例硬化材料-304不锈钢的疲劳本构进行了数值模拟,得到的结果和试验结果比较,可以看出具有很好的吻合性.     

An experimental investigation on cyclic plastic deformation and substructures of polycrystalline copper

Cyclic deformation under proportional and nonproportional loading of a textured copper was experimentally studied, and the results were compared with those of texture-free copper with the same grain size. The texture had a great influence on the equivalent cyclic stress–strain (CSS) curves under proportional loading but insignificant influence on the CSS curves under nonproportional loading. By comparing the slip patterns on the specimen surface and dislocation substructures under proportional and nonproportional loading, the mechanism of nonproportional hardening was discussed. The slip multiplicity inherited from originally multiple-slip oriented grains plays a minor role. Nonproportional hardening is the result of enhanced activated slip systems and more uniform activation of slip systems due to the rotation of maximum shear stress under nonproportional loading. At high strain amplitudes, cells were the primary substructures for both proportional and nonproportional loading but the diameters of the cells under nonproportional loading were smaller for similar strain magnitude. A linear relationship existed between the saturation equivalent stress magnitude and the reciprocal of the diameter of the dislocation cells. Such a relationship was independent of the loading modes and texture. The saturation stress magnitude was related to the bowing stress of screw dislocations in the interior area of dislocation cells. The mechanical response was practically recoverable either when the loading magnitude was changed from a higher value to a lower value or when the loading was changed from a nonproportional loading path to a proportional loading path. However, the dislocation substructures cannot be completely recovered.     

Constitutive modeling of cyclic plasticity deformation of a pure polycrystalline copper

Cyclic plasticity experiments were conducted on a pure polycrystalline copper and the material was found to display significant cyclic hardening and nonproportional hardening. An effort was made to describe the cyclic plasticity behavior of the material. The model is based on the framework using a yield surface together with the Armstrong–Frederick type kinematic hardening rule. No isotropic hardening is considered and the yield stress is assumed to be a constant. The backstress is decomposed into additive parts with each part following the Armstrong–Frederick type hardening rule. A memory surface in the plastic strain space is used to account for the strain range effect. The Tanaka fourth order tensor is used to characterize nonproportional loading. A set of material parameters in the hardening rules are related to the strain memory surface size and they are used to capture the strain range effect and the dependence of cyclic hardening and nonproportional hardening on the loading magnitude. The constitutive model can describe well the transient behavior during cyclic hardening and nonproportional hardening of the polycrystalline copper. Modeling of long-term ratcheting deformation is a difficult task and further investigations are required.     

63Sn-37Pb钎料合金在非比例循环加载下的非弹性流动特性研究

基于63Sn-37Pb钎料舍金在多种非比例应变循环加载下的实验结果,通过考察材料的非弹性应变率与偏应力之间的夹角随累积非弹性应变的变化规律,对63Sn-37Pb钎料合金的非弹性流动特性进行了定量分析。分析结果显示：在相同的非比例加载路径下,当加载等效应变幅值相同时,等效应变率越高,非弹性应变率与偏应力之间夹角平均水平越低,当等效应变率相同时,等效应变幅值越大,相应的夹角平均水平越低;在保持时间范围内,非弹性应变率方向与偏应力方向趋于一致;当非比例路径形状不同时,其非弹性应变率与偏应力之间的夹角随累积非弹性应变的变化趋势明显不同。研究表明,材料的非弹性流动特性强烈依赖于等效应变幅值、等效应变率、保持时间、非比例路径形状。     

一个非比例循环粘塑性本构模型

本文提出地一个考虑材料非比例循环附加强效应，非比例循环加载历史产应和应变幅值历史效应的粘塑性体构模型。在该模型中，引入了对加载过程非常弹性应变幅值的记忆变量ｑ；定义了新的非比例度；引入了考虑材料非比例度的循环饱和各向同性变形阻力参量Ｑｓ；对各向同性变开引入了具有先前加载历史记忆的演化方程，将本文模型用于１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢高温循环变形行为描述，其预言结果与实验结果吻合得很好，表明该模型能很好     

拉扭复合加载下循环应力应变关系的研究

以拉扭簿壁管试件为研究对象,根据多轴临界面上的应力应变特性及多轴疲劳临界面法的结果,结合单轴循环应力应变关系,研究了多轴比例与非比例加载下的循环应力应变关系,推导出多应力应变关系模型,经拉扭复合比例与非比例物载试验难证,其预测结果与实测值相符合。