韧性材料颈缩主应力面上应变分布假定的研究

为了深入研究韧性材料主应力面的应变分布情况，讨论Bridgman关于主应力面上应变均布假定的精度．本文首先结合断口学基本理论与在室温条件下拉伸断裂的Q235钢、40Cr钢和45#钢断口电子显微镜扫描结果，从微观角度分析其韧窝分布后发现应变均布假定存在一定的误差；然后基于体积守恒和Aramis三维应变观测系统测得的试验结果，将计算值和试验值进行对比分析发现，三种材料中除含碳量较高的45#钢外，应变均布假定并不适用于分析颈缩主应力面上应变分布．本文的研究成果可为进一步研究韧性材料颈缩大塑性阶段的应力、应变本构关系提供一定的参考．     

Bridgman 解的试验验证与分析

为研究韧性材料单轴拉伸试样的颈缩规律及颈部应力场的分布，对 Q235钢、14CrNiMoV合金钢、LY12铝合金等三种典型的金属材料光滑试样和切口试样进行了单向拉伸试验，通过研究材料屈服过程的细观机理和颈缩部位最小截面上不同位置处孔洞大小和形状的变化规律，分析了颈部应力解 Bridgman 公式中主要试验和理论上的依据和假设，并给出了影响颈部应力场分布的主要因素。结果表明：Bridgman 公式中等轴假设基本成立，屈服条件应用不合理，且颈缩部位的复杂应力场并非由颈缩部位最小截面的全面屈服和材料塑性流动导致，颈缩后构件几何形状的变化是引起应力场重新分布的主要因素。     

基于偏析线的圆棒颈缩分析

本文基于拉伸圆棒颈缩后纵剖面上形成的偏析线(腐蚀后可见)提出了建立颈部最小截面上的应变场的方法。利用试验得到的有关数据,并借助于塑性全量理论及逐步插值积分法得到颈缩后材料的及最小截面上的应力场。计算结果反映了宏观断裂过程中微观结构变化所导致的应变“软化”现象。电镜观察表明:曲线上的极值点所对应的颈缩状态正反映了微结构中的次级空洞大量形成的阶段,紧随而来的是宏观断裂的到来,因此是一个与材料临界断裂有着密切关系的一个量。     

正交各向异性韧性材料应力-应变关系

采用大变形弹塑性有限元方法分析了各向同性和正交各向异性韧性材料光滑圆棒拉伸试件的颈缩问题．首先给出了采用计算机模拟确定各向同性韧性材料真实应力-应变曲线的具体方法；对正交各向异性韧性材料的分析表明，颈缩截面呈椭圆形，其长短轴方向的等效塑性应变基本上均匀分布，与Bridgman假设一致；轴向拉伸载荷-位移曲线与其它两方向的各向异性参数关系不大．在此基础上，建议了一种确定正交各向异性韧性材料真实应力-应变曲线的方法．     

低碳钢单轴拉伸实验颈缩段的应力分析

为了深入研究塑性材料在单轴拉伸过程中的颈缩应力分布,结合Aramis三维应变测量系统对Q235钢和Q345钢进行了单轴拉伸实验。基于已有文献的颈缩外形理论,结合实验数据提出了颈缩阶段几何尺寸的变化规律公式,并与传统经验公式进行了对比。采用本文给出的颈缩阶段几何尺寸的变化规律公式计算,Q235钢误差率为27.73%,Q345钢误差率为20.49%;采用传统经验公式计算,Q235钢误差率为64.33%,Q345钢误差率为70.78%。结果表明,本文提出的变化规律公式精确度远高于传统公式精确度。基于此,在考虑材料系数的基础上推导出了包含材料系数的半解析半经验应力分布方程。     

Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢的高温拉伸变形特性分析

利用热/力模拟试验机,对Cr15Mn9Cu2Ni1N不锈钢进行了950℃~1200℃高温范围内的拉伸试验;采用有限元方法对试样的均匀变形过程进行了分析。高温拉伸过程中,试样在达到最大应力后并不立即颈缩,而是还要经历一段宏观均匀变形后才颈缩。分析结果表明:最大应力之后,试样端部区域等效应力降低,横截面积收缩量减小,而中心区域横截面积收缩量增大,形成了潜在颈缩区;在应变速率敏感性的作用下,潜在颈缩区的变形抗力随应变速率的增大而增加,使变形不能在该区域集中,而转向其它位置,保持了试样的宏观均匀变形,且颈缩未在最大应力后立即发生;在高温拉伸条件下,材料应变速率敏感性的增大是颈缩延迟发生的主要原因,随着变形温度升高,应变速率敏感性增大,也使得试样颈缩前的均匀变形量增大。     

裂纹复合断裂准则中的某些问题

1.引言断裂力学出现后,关于复杂应力下的断裂问题有:A.A.Griffifh 的最大应变能释放率g 准则(及其推广),G.C.Sih 和F.Erdogan 的最大周向应力σθ_(max)准则,Sih 的最小应变能密度S_(min)准则.这些准则和古典强度理论并不完全一致.陈篪     

基于图像分析的金属颈缩过程实验测量方法

提出了一种基于简易图像分析的试件颈缩测量的方法,可以方便有效地定位试件颈缩部位并测量其直径的变化,同时可以测量试件的轴向应变,进而得到试件的名义应力应变曲线及真应力应变曲线．本方法为普通实验室中试件颈缩的测量提供了方便而有效的实现手段,因而可以有效促进材料力学等课程的教学．     

轴向拉伸载荷作用下缺口圆棒的应力三轴度

应力三轴度是表达应力状态的参量,可作为变量表征材料的塑性和断裂损伤模型,在结构强度和失效分析中发挥重要作用.具有缺口的圆棒拉伸试验可用于标定塑性和损伤模型中的参数.然而,文献中却存在两个不同的公式计算拉伸载荷作用时缺口圆棒最小截面轴心处的三轴度,二者分别由国际著名学者Bridgman和Wierzbicki先后提出,其不同性往往造成应用时的困惑.本文通过精细化的有限元计算分析,意在澄清两个公式的有效性和适用性.结果表明,Bridgman公式仅弹性阶段和特定a/R范围内较为准确,Bao-Wierzbicki公式与数值模拟结果及实验数据吻合较好,可用于计算整个拉伸过程中三轴度的算术平均值.基于进一步的分析,本文提出了理想弹塑性条件下塑性阶段的应力三轴度新的修正公式,还讨论了缺口几何和应变强化效应：指出不同的缺口比例会影响到颈部应力场,缺口比例越小,弹性阶段的应力三轴度越接近1/3;而应变强化则会导致拉伸过程中应力三轴度的降低.     

颈缩的有限元分析

本文用弹塑性大应变问题的等参数有限元分析程序(LEPS程序),对平板和圆棒试件的颈缩作了较全面的分析。取得了颈部形状、拉伸曲线和颈缩区的应力应变分布等计算结果,并和实验结果作了比较。这对进一步研究材料的硬化与断裂等力学性能是有益的。     

图像相关法在高分子材料拉伸性能研究中的应用

本文对聚碳酸酯(PC)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)的合金(PC/ABS)高分子材料不同环境温度下的拉伸性能进行了试验研究。根据图像相关分析法编制了图像法位移测量分析软件,并对该分析软件的适用性进行了分析。系统研究了PC/ABS高分子材料拉伸试验时三个方向的位移场和应变场。根据测得的位移场研究了该高分子材料拉伸过程中应变和应变率的变化以及应力应变变化规律,并对试验结果进行了详细分析。结果表明,文中采用的图像法位移测量系统具有较高的测试精度;拉伸过程中,试件厚度方向的收缩变形大于宽度方向的收缩变形;颈缩过程区具有非常高的应变率,颈缩后的平直颈缩区的应变率快速下降到一个很低的应变率继续缓慢变形;尽管载荷位移曲线出现了较大的载荷下降现象,PC/ABS拉伸时的真应力应变曲线没有明显的应力下降现象出现,因此,载荷下降现象主要由颈缩时的截面减小引起;高分子材料PC/ABS的屈服应力随环境温度的升高而降低。     

国产聚碳酸脂材料的拉伸力学行为

本文通过实验研究了国产聚碳酸脂材料的拉伸力学行为,得到了这种材料在不同应变速率下的真实应力—应变曲线。实验结果表明:聚碳酸脂为应变率敏感材料,在达到峰值应力之前,泊松比接近0.5,出现颈缩之后,其泊松比远超过极限值0.5,作为光塑性模型材料,应将应变控制在5.8%以内。     

光滑圆柱拉伸试件的颈缩分析

对Gurson本构方程作了初步的研究，并对圆柱光滑拉伸试件在颈缩阶段用Gurson本构方程做了大应变弹塑性有限元分析。讨论了颈缩区空穴形核、扩张、静水应力以及材料软化的问题，初步揭示了空穴的演化过程和材料的破坏机理。有限元分析的结果表明，颈缩阶段空穴长大聚合机理非常显著，而形核作用相对较弱。     

大直径SHPB装置的数值模拟及实验误差分析

介绍了用于混凝土冲击试验的Φ100SHPB装置。利用数值模拟和应变测试相结合的方法讨论了应力波在该装置中的传播特性。二维效应导致应力波在大直径SHPB装置传播过程的弥散现象。同时在实验的大部分时间内大尺寸试样的应力(应变)存在不均匀性。因此大直径SHPB装置进行混凝土冲击压缩应力-应变曲线的实验研究会产生误差。利用数值模拟分析了误差影响程度,同时验证了用混凝土试样应变和透射杆应力得到应力-应变曲线初始段的可行性。     

超高强度钢单轴拉伸下形变与断裂过程的研究

1.引言单轴拉伸试验是材料基础力学试验之一,研究它的形变与断裂过程,历来受到人们的重视。关于超高强度钢单轴拉伸的形变规律,一般来说,当外加负荷较小时,材料处在弹性阶段,这时试样形状为圆柱体,应力与应变服从虎克定律。随外加负荷增加,材料进入塑性状态。从屈服至最大负荷这一段,试样仍保持为圆柱体,应力与应变关系服从二段幂乘硬化律。从最大负荷到断裂这一段,试样发生了局部变形,即所谓颈缩现象,     

高分子材料平面应变拉伸变形局部化

将基于应变软化玻璃状高分子材料微观特征建立的ＢＰＡ８－链分子网络模型引入ＵｐｄａｔｉｎｇＬａｇｒａｎｇｅ有限元方法，建立了适于变形局部化分析的大变形弹塑性有限元驱动应力法．在此基础上，数值模拟了初始各向同性高分子材料平面应变拉伸变形局部化的传播过程．探讨了ＢＰＡ模型对具有加工硬化特性的结晶性高分子材料变形分析的适应性；分析了局部化传播过程中颈缩截面的非均匀应力三轴效应；最后，讨论了网格尺寸以及初始几何不均匀性对颈缩扩散以及应力三轴效应的影响     

超高分子量聚乙烯材料的应力松弛研究

采用实验方法研究超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料,在不同温度、应变率和初始应变的条件下进行单轴压缩应力松弛实验,得出松弛应力与时间成非线性关系,且温度越高、应变率越大、初始应变越小,则最终稳定的应力值越小的结论．采用时间分数阶粘弹性模型,结合Boltzmann叠加原理推导出UHMWPE材料在整个加载段及松弛段的应力响应函数,并与实验数据最小二乘拟合．结果表明,时间分数阶Scott-Blair模型能很好地描述UHMWPE材料的粘弹性行为．     

延性金属膨胀环的运动及断裂的三维数值模拟

利用LS-DYNA三维动力有限元软件对延性金属环的膨胀运动与断裂进行数值模拟。在膨胀环圆周加入泊松随机分布断裂成核点,利用J-C本构模型,研究诸如颈缩形成时间、颈缩区与均匀变形区的温度、应力、应变的对比等颈缩形成机理,以及讨论了环圆周上断裂成核点的泊松随机分布碎裂特性的影响。数值计算结果与实验结果、理论分析结果吻合较好,表明施加泊松随机断裂成核点的数值模拟方法是合理的。     

基于超高速相机的数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的应用

基于超高速相机和数字图像相关性全场应变分析方法对传统的分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验系统进行改进,获得尼龙和铝合金材料的动态拉伸应力应变曲线,验证了数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的有效性。实验结果显示:该方法测量的平均应变与应变片测量结果一致性很好, 而传统的SHTB实验原理计算的应变结果则明显偏大,需要对试件原始标距进行修正后才能获得有效的试件应变,并且在试件的材料和几何尺寸不变的条件下标距修正不依赖于应变率。基于数字图像相关性全场应变测量,讨论了应变均匀性问题:脆性的尼龙试件在标距范围内应变均匀性良好,而韧性的铝合金试件表现出比较严重的应变不均匀性,归因于颈缩变形的影响。     

AA7075-T6复杂加载状态下断裂极限研究

为研究航空铝合金AA7075-T6板材在复杂加载状态下的韧性断裂力学性能,设计4种包含不同应力状态的拉伸试验和液压胀形试验来获取材料的硬化特性和断裂参数。通过不同应变率和不同轧制方向的拉伸试验得到相应的应力-应变曲线,分别采用不同硬化模型和DF2016韧性断裂准则对其硬化行为和断裂特性进行表征。结果表明AA7075-T6狗棒试件在应变率为1 s^-1和10 s^-1时重复性较好,应变率为100 s^-1时应力-应变曲线出现明显的抖动,但随着应变率的增加没有出现明显的应变率强化效应。而且对比7个轧制方向的应力-应变结果发现,不同角度的拉伸强度和断裂应变基本相同。因此在研究范围内AA7075-T6表现为一种各向同性且关于应变率不敏感的材料。采用Swift-Voce硬化模型的预测效果最好,DF2016韧性断裂准则可以准确预测AA7075-T6在剪切、单轴拉伸、平面应变拉伸和等轴拉伸等不同应力状态的断裂位置。