多轴载荷作用下马氏体耐热钢中微孔洞演化行为的模拟研究

微孔洞演化包括孔洞成核、生长和聚合三个阶段,是影响金属材料韧性断裂的重要因素.为了分析P91马氏体耐热钢中的塑性滑移对微观孔洞扩展的影响,论文提出了一种基于晶体塑性有限元的微观力学计算模型,量化了应力三轴度、洛德参数和晶体取向对微孔洞演化行为的影响.结果表明,在相对较高应力三轴度条件下,随着应力三轴度的增大,含孔洞马氏体块的等效应力-应变响应呈现出快速软化的特征,同时孔洞体积分数随着等效应变的增加而快速增加.对于给定的应力三轴度,胞元的聚合应变在[111]取向时最小,在[110]取向时最大.孔洞聚合开始时,低应力三轴度下孔洞形状趋向于椭球状,而较高应力三轴度时孔洞横向略鼓.在一定的应力三轴度和洛德参数范围内,在孔洞聚合和孔洞坍塌两种胞元失效状态之间存在着一个条带状过渡状态,在[100]晶体取向时,当洛德参数L=-1时条带最宽.论文揭示了P91马氏体耐热钢中微孔洞演化的基本机制,分析了晶体取向、应力三轴度和洛德参数对微孔洞演化的影响.这些发现为P91马氏体耐热钢的韧性损伤模型的进一步发展提供了微观理论基础.     

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能，尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性，是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构（晶粒的形貌和取向等）对宏观塑性各向异性的影响，因此，本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型，并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先，建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算，并与实验结果进行对比验证。然后，以单向拉伸为例，分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响，并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明，本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响，为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。     

含冷却孔镍基合金次级取向效应的应变梯度晶体塑性有限元研究

单晶镍基合金具有优异的耐高温、高强、高韧等性能, 这些力学性能受制造过程引入的次级取向和冷却孔的影响. 已有研究大多关注单孔薄板的变形机理和力学性能, 而工程中应用的往往是多孔薄板, 当前亟需阐明多孔的塑性滑移带变形机理、次级取向效应以及冷却孔引起的应变梯度效应. 文章采用基于位错机制的非局部晶体塑性本构模型对含冷却孔镍基单晶薄板的单拉变形进行了数值模拟. 此模型基于塑性滑移梯度与几何必需位错的关系引入了位错流动项, 因此可有效刻画非均匀变形过程中的应变梯度效应. 为了全面揭示含孔镍基薄板的次级取向效应, 系统研究了[100]和[110]取向(两种次级取向)下镍基薄板的单拉变形行为, 并重点探究了在两种次级取向下冷却孔数量对薄板塑性行为的影响. 此外, 还分析了镍基合金板变形过程中各个滑移系上分切应力变化、主导滑移系开动以及几何必需位错密度的演化过程, 并讨论了塑性滑移量及其分布特征对不同次级取向镍基合金板强度的影响. 研究表明, 单孔和多孔的[110]薄板抗拉强度均低于[100]薄板, 多孔薄板的塑性变形过程比单孔薄板更为复杂且受次级取向影响更大, 并且发生滑移梯度位置主要位于冷却孔附近以及塑性滑移带区域. 研究结果可为工程中镍基合金的设计和服役提供理论指导.      

FCC晶体中不均匀变形对空洞长大的影响

通过编制率相关有限元用户子程序,采用一个单胞模型研究了FCC晶体中孔洞在单晶及晶界的长大行为,分析了由于晶体取向及变形失配对孔洞长大和聚合的影响。研究结果表明：孔洞的形状和长大方向与晶体取向密切相关;晶界上孔洞的长大速度大于单晶中孔洞的长大速度;晶粒间的变形失配加速了晶界上孔洞的长大趋势,因而使材料易发生沿晶断裂,随着晶粒间取向因子差异的增加,孔洞越易沿着晶界长大。     

有限塑性应变与应变率及其在晶体塑性中的表示

首先对变形梯度的塑性乘积分解的唯一性问题进行了分析,结果表明在放松了的或中间构形上所定义的应变对应着唯一的乘积分解,即Ｌｅｅ分解,尔后分析研究了该类型的应变及应变率,建立了客观塑性变率与变形率之间的关系,最后在不同构形中给出了塑性应变在晶体塑性中的表示,建立了塑性滑移率与应变及应变率之间的关系。     

铜单晶拉伸试样表面滑移带痕迹的晶体塑性分析

采用建立在晶体塑性理论基础上的晶体塑性有限变形计算方法,针对铜单晶试样单轴拉伸过程中晶体滑移在试样表面留下的滑移带痕迹进行了数值研究.作者利用三维有限元模拟不同取向铜单晶试样的拉伸变形,通过晶体塑性滑移面与试样表面交线的几何分析,得到了试样在不同晶向拉伸下不同滑移系启动造成的试样表面滑移痕迹,并对数值计算的试样表面滑移痕迹作了初步讨论.所得结果表明晶体塑性理论能够用于单晶试样拉伸试验的表面滑移带痕迹形成的分析.     

基于晶体塑性理论研究铝材料高压高应变率下的强度特性

为了了解金属材料在极端加载下复杂动态响应过程中的多种机制和效应,重点针对Al材料在高压、高应变率加载下的塑性变形机制,在经典晶体塑性模型的基础上,对其中的非线性弹性、位错动力学和硬化形式进行改进,建立适用于高压、高应变率加载下的热弹-黏塑性晶体塑性模型。该模型可以较好地描述单晶铝和多晶铝材料屈服强度随压力的变化过程,相比宏观模型,用该模型还获得了多晶Al材料在冲击加载下的织构演化规律,揭示了织构择优取向行为和压力的关系。     

伴随微孔洞生长的裂纹弹塑性定常扩展

裂纹在韧性材料中扩展时,将们随着微孔洞的萌生和生长,孔洞的萌生和深化将直接影响着材料的总体断裂韧性和强度,以往的研究主要集中在将裂纹的扩展刻划为微孔洞的萌生、生长和汇合这样一个过程。从传统的断裂过程区模型出发研究微孔洞的萌生和生长对材料总体断裂韧性的影响,通过采用Ｇｕｒｓｏｎ模型,建立塑性增量本构关系,然后针对定常扩展情况直接进行分析,孔洞对材料断裂韧性的影响由本构关系刻划,而在孔洞汇合模型中,上     

表面微空洞长大和相互作用的晶体有限元分析

通过建立空洞长大和相互作用的3D模型,采用晶体塑性有限元模拟研究了FCC晶体表面空洞的长大和相互作用行为,分析了晶体取向和微空洞在表面的深度变化对表面空洞长大和相互作用的影响.模拟结果表明:晶体取向除了影响空洞形状和长大方向外,还会影响空洞长大速度;总体而言,在固定位移边界条件下硬取向晶粒表面的空洞长大和相互作用大于软取向.随着空洞在单晶体表面深度的增加,空洞周围的最大塑性变形增加,变形局部化更加严重,空洞长大速度增加.     

孔洞受压的统一极限分析

采用俞茂宏统一强度理论分别就平面应变和平面应力总是对受压孔洞进行了极限分析，得到了各自的统一解形式。以往的基于Ｔｒｅｓｃａ、Ｍｉｓｅｓ、双剪屈服准则以及Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强度理论的极限解均为本文统一解的特例。此解可以适应于广泛的不同性质的各灯材料，合理也得出不同材料的相应解。     

磁电弹复合材料和刚性导电导磁圆柱压头的二维微动接触分析

本文求解平面应变状态下磁电弹复合材料半平面和刚性导电导磁圆柱压头的二维微动接触问题。假设压头具有良好的导电导磁性,且表面电势和磁势是常数。微动接触依赖载荷的加载历史,所以首先求解单独的法向加载问题,然后在法向加载问题的基础上求解循环变化的切向加载问题。整个接触区可以分为内部的中心粘着区和两个外部的滑移区,其中滑移区满足Coulomb摩擦法则。利用Fourier积分变换,磁电弹半平面的微动接触问题将简化为耦合的Cauchy奇异积分方程组,然后数值离散为线性代数方程组,利用迭代法求解未知的粘着/滑移区尺寸、电荷分布、磁感应强度、法向接触压力和切向接触力。数值算例给出了摩擦系数、总电荷和总磁感应强度对各加载阶段的表面接触应力、电位移和磁感应强度的影响。     

PREDICTION OF EARING IN TEXTURED ALUMINIUM SHEETS BASED ON CRYSTAL PLASTICITY

The phenomenon of earing is investigated in the present study based on the theory of crystal plasticity with the dynamic explicit finite element program developed. Firstly texture analysis is carried out of rolled aluminium alloy Al5052 by means of X-ray technique. Then from the texture coefficients an analytical expression for the orientation distribution function (ODF) is derived making use of the computer algebraic language Mathematica4.0, which makes it easier to discretize the ODF into a series of Eulerian angles representing the distribution of lattices and further the preferred orientation (texture) of crystals of the original sheets. For the polycrystal model, the material is described using crystal plasticity where each material point in grains with each grain modelled as an FCC crystal with 12 distinct slip systems. The modified Taylor theory of crystal plasticity is used and only the initial texture is taken into consideration during large plastic deformation. Numerical simulation of earing has been performed for an aluminium sheet with texture and one with crystals exhibiting random distribution to demonstrate the effect of texture of materials on their plastic anisotropy and formability. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 59875025).     

COUPLING EFFECTS OF VOID SHAPE AND VOID SIZE ON THE GROWTH OF AN ELLIPTIC VOID IN A FIBER-REINFORCED HYPER-ELASTIC THIN PLATE

The growth of a prolate or oblate elliptic micro-void in a fiber reinforced anisotropic incompressible hyper-elastic rectangular thin plate subjected to uniaxial extensions is studied within the framework of finite elasticity. Coupling effects of void shape and void size on the growth of the void are paid special attention to. The deformation function of the plate with an isolated elliptic void is given, which is expressed by two parameters to solve the differential equation. The solution is approximately obtained from the minimum potential energy principle. Deformation curves for the void with a wide range of void aspect ratios and the stress distributions on the surface of the void have been obtained by numerical computation. The growth behavior of the void and the characteristics of stress distributions on the surface of the void are captured. The combined effects of void size and void shape on the growth of the void in the thin plate are discussed. The maximum stresses for the void with different sizes and different void aspect ratios are compared.     

基体微尺度效应对弹塑性多孔洞材料本构势及孔洞长大的影响

基于尺度相关的应变梯度塑性SG理论,对含孔洞的球形体胞模型进行了解析分析,得到了在基体梯度塑性环境下球形孔洞的演化规律,给出了弹塑性孔洞材料的宏观屈服面方程.与现有的基于尺度无关塑性理论的Gurson模型相比,该模型考虑了基体材料的特征长度l与孔洞半径a之比λ(λ=l/a)对多孔材料宏观屈服面和孔洞演化规律的影响.当不计基体材料的塑性梯度效应和硬化效应时,该模型能退化到经典的Gurson模型.     

纯铜后继屈服面的测试与晶体塑性模型模拟

通过纯铜薄壁圆管试样的实测和晶体塑性模拟,用单试样法和多试样法对分别经历拉伸、扭转和组合拉扭变形的试样后继屈服面进行研究.考虑预变形方式、测点数目、测试顺序和指定平移应变等不同条件,对后继屈服面测定结果差异及屈服面内凹现象进行探讨.在此基础上,比较了单试样和多试样两种方法的合理性与有效性.数值模拟采用能反映Bauschinger效应的晶体塑性模型,试样有限元模型每个单元的晶体取向均随机生成,能反映多晶材料变形特征.模拟试验加载过程与真实试验一致.研究表明:(1)采用本文方法可再现真实试验过程,模拟后继屈服面测试展示的现象与实测相近,证实了方法的有效性和合理性;(2)模拟测试与实测均发现,薄壁圆管组合拉扭加载测得的后继屈服面可能出现内凹,单试样法测得屈服面的内凹现象尤为显著;(3)若试验材料的材质比较一致,用多试样法测试后继屈服比用单试样法更合理.     

SURFACE EFFECT ON NANOSIZED VOID GROWTH IN A RIGID-PERFECTLY PLASTIC MATERIAL

The influence of the surface effect on the nanosized spherical void growth in a rigidperfectly plastic material is analyzed and the mechanism of the nanosized void growth with high triaxiality is given. Based on the Rice and Tracey model for a macro void growth, the present model is proposed to account for the nanosized void growth under a uniform remote strain rate field with consideration on the surface effect. It is concluded that the surface effect yields an evident resistant influence on the nanosized void growth. That is, this influence decays as the void radius increases. With high triaxiality, the nanosized void growth is divided into two stages： the initial stage and the mature stage. At the first stage, the void grows slowly and the influence of surface effect is relatively weak, whereas at the second stage, the influence is significant and the void grows drastically.     

两种晶体塑性损伤模型在有限变形条件下的比较

对建立在连续损伤力学和内变量理论基础上的两种晶体塑性损伤模型进行了比较,旨在比较两种模型在描述材料物理性能方面的适用性以及由加载而引起变形响应的不同之处.模拟结果显示,两种模型均能反映出塑性各向异性和损伤的演化;由加载而导致有限变形的响应不仅依赖于变形,而且也依赖于晶格取向;尽管两种模型在揭示单晶体的物理性能方面是不同的,但是在预测材料力学性能方面有着相同的预测趋势.     

亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展

近十年来, 随着实验技术的发展, 人们对亚微米尺度晶体材料塑性行为的研究和认识不断深入, 实验观测到许多由离散位错主导的新的应力\!--\!应变现象, 它们是基于宏观尺度的经典塑性理论和基于微米尺度的应变梯度塑性理论所无法阐释的. 研究者们试图寻求新的理论模型和计算方法, 提出了考虑位错近程相互作用由背应力主导的缺陷能理论和以离散位错动力学为代表的亚微米尺度晶体塑性计算方法, 旨在描述位错形核、增殖、匮乏和湮灭, 揭示该尺度下塑性流动的机理. 本文从实验观测数据、理论分析模型、离散位错动力学及其与之耦合的连续介质力学计算方法等方面, 综述了亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展.