镁合金晶体塑性本构模型与非均匀孪生变形分析

微结构演化对镁合金材料力学性能有着显著的影响,为了揭示镁合金宏观塑性各向异性特性与非均匀孪生变形的关系,开展了不同路径下的单轴加载试验以及采用含滑移、孪生机制的晶体塑性本构模型对试验条件下的镁合金变形行为进行数值模拟研究。文中本构模型描述了滑移与孪生变形机制以及晶格转动的机制,同时研究采用三维微结构代表性有限元模型,其包含晶粒尺寸、晶向和晶界倾角等微结构参数。研究结果表明,轧制镁合金具有强烈的宏观塑性各向异性行为,并对这种镁合金塑性各向异性行为的模拟结果以及多晶织构的模拟演化结果与试验测量进行对比,结果都基本吻合。对孪生非均匀变形模拟分析表明,镁合金宏观塑性各向异性行为与滑移、孪生变形机制的不同启动组合紧密相关,同时多晶体内应力的非均匀分布受到孪生变形的严重影响。而不同晶粒尺寸的晶粒所发生的孪生变形有比较大的差异,造成孪晶变体在晶粒内的分布极不均匀。本研究可为通过微结构的合理配置来设计和控制材料的力学性能提供理论依据.     

室温下镁合金板循环塑性随动强化本构模型研究

本文在具有各向异性屈服强度和拉压不对称的CPB06屈服准则的基础上,建立了基于随动强化的循环塑性本构模型．通过引入滑移、孪晶以及去孪等不同变形模式下的背应力演化方程,对室温下镁合金板材异常循环硬化行为进行了模拟．选取了AZ31B-O和AZ31B两种镁合金板材,通过拉伸-压缩-拉伸(T-C-T)和压缩-拉伸(C-T)等不同加载路径下的部分实验曲线确定模型的参数,采用三次插值多项式建立了背应力参数与上一变形模式中累积的等效塑性应变（即预应变）之间的函数关系．使用本模型对剩下的实验曲线进行了预测,发现预测结果与实验结果有良好的一致性,说明了当前模型的正确性．     

304不锈钢室温单轴循环棘轮行为的粘塑性本构描述

在统一粘塑性循环本构模型的框架下对循环硬化的304不锈钢的单轴棘轮行为进行了本构描述。模型中通过随动硬化背应力演化和各向同性变形阻力演化对304不锈钢在非对称应力循环下的循环附加硬化和循环流动特性进行了分析，同时考虑了加载历史对循环棘轮行为的影响。将模型应用于304不锈钢室温单轴循环棘轮行为及其对加载历史依赖性的描述中，预言结果与实验结果吻合较好。     

单轴循环载荷下镁合金宏观塑性本构关系研究

基于微观织构演化,本文对镁合金的宏观塑性本构模型进行了改进,得到了室温下镁合金AZ31B和AZ61A单轴循环拉压载荷作用下的应力应变曲线。模型中区分了滑移、孪晶与去孪三种不同微观塑性变形机制,并且研究了它们对材料宏观循环塑性行为的影响。通过引入初始非零背应力来模拟循环应力应变曲线中拉压不对称性,给出了材料在单轴循环拉压载荷下背应力及屈服面的演化规律,并运用线性预测塑性回拉技术与隐式积分法求解相应的非线性方程组,编写了与.ABAQUS接口的UMAT用户子程序。预测与实验结果的比较显示该模型能较好地模拟镁合金材料在单轴循环拉压载荷作用下的力学行为,具有较高的准确性与良好的实用性。     

考虑塑性应变记忆恢复的循环棘轮本构模型研究

在统一粘塑性循环本构理论框架下,以Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型为基础,建立了一个循环本构模型。模型通过引入塑性应变幅值记忆效应,并在塑性应变记忆项中加入恢复系数,提高了对循环硬化材料单轴棘轮行为的预言能力。将模型应用于316L不锈钢单轴棘轮行为的描述中,模拟不同平均应力、应力幅值下的棘轮应变,均与实验数据吻合较好,证明本文改进的本构模型能合理地描述循环硬化材料的单轴棘轮行为。     

96.5Sn-3.5Ag钎料合金的时相关单轴应变循环变形行为及其本构关系研究

在室温下对96.5Sn-3.5Ag钎料合金进行了不同加载波形下的单轴应变循环实验。研究了在具有不同保持时间、不同应变率、不同应变幅值及其历史对材料的循环变形行为的影响。基于材料时相关变形行为,提出了统一粘塑性本构模型,并对该材料的变形行为进行本构模拟。实验结果表明:该钎料合金单轴变形行为具有应变率、保持时间以及应变幅值依赖性。本构关系的预言结果与实验结果吻合得一致性说明该种模型能够很好地描述材料的单轴应变循环变形行为。     

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．     

调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用及其耦合损伤粘塑性本构模型

对调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用的实验结果进行了分析,揭示了材料在非对称应力循环下的全寿命棘轮变形特征和低周疲劳损伤演化特性.在统一粘塑性循环本构模型框架下,基于连续损伤力学理论,提出一个耦合损伤的牯塑性本构模型.该模型中将损伤分为宏观弹性损伤和塑性损伤两部分,并采用不同的损伤演化方程来描述这两类损伤.针对材料不同的失效模式,分别采用损伤变量门槛值和最大应变作为失效判据.将模型应用于调质42CrMo钢单轴应力循环下全寿命棘轮行为的描述和低周疲劳寿命预测中,模拟结果和实验结果吻合较好.     

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。     

织构可调塑性本构模型标定及其应用

提出了利用率相关晶体塑性模型标定织相可调本构模型的求解步骤,得出了一组依赖于晶粒间相互作用假设而独立于具体板材织构的本构相关系数.以此为基础再结合板材织构系数所得出的本构模型系数可避免出现屈服面非外凸的情形.利用所提求解步骤对在不同热处理条件下产生不同织构的AL5052铝合金板的深拉成形过程进行了有限元模拟.结果再现了典型织构在板材成形过程中所出现的塑性各向异性,从而表明求解步骤的可行性.     

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。     

孪生诱发塑性对V-5Cr-5Ti合金应变硬化行为的影响

钒合金(V-Cr-Ti)作为潜在重要的聚变反应堆用结构材料, 近年来受到广泛的关注. 为了研究 V-5Cr-5Ti 合金不同应变率压缩下的应变硬化行为, 特别是孪生对塑性变形的影响, 以位错密度和孪晶演化为基础, 建立了该合金的应变硬化模型. 模型中考虑了孪晶中的位错滑移对材料塑性应变的贡献. 模拟结果表明, 由于孪生诱发塑性, 从而使动态压缩时的位错密度小于准静态加载时的, 这使得 V-5Cr-5Ti 合金在动态压缩时的应变硬化率比准静态加载时的小. 当孪晶形成后, 位错滑移引起的塑性应变率随应变增大而增大, 并逐渐接近加载应变率, 而孪生引起的塑性应变率则随应变增大而减小.      

金属非晶的强度和变形特性

金属非晶发展至今已有多种体系并可实现厘米量级的块体制备,其各种性能也都有了广泛的研究。本文主要介绍金属非晶的单轴拉伸、单轴压缩、微柱压缩、薄板弯曲、拉伸-扭转等物理力学特性及关于其变形的理论分析。文章涵盖了金属非晶的以下一些力学特性：金属非晶的弹性模量和其溶剂金属的相近性―金属非晶通常具有2% 左右的弹性应变极限,对应着GPa量级的高失效强度;金属非晶单轴拉伸、压缩时的宏观塑性特征及塑性变形的典型机制;金属非晶微观上的短程与中程原子团簇结构特点及其与非晶塑性的关联;金属非晶塑性屈服与静水压力的相关性,拉扭组合时呈现的螺旋断口特征,以及Mohr-Coulomb本构模型对这些屈服特征的适用性。最后,作者也介绍了金属非晶塑性变形的微观物理模型及连续介质力学本构,以及金属非晶的断裂与疲劳特性。     

铜合金微塑性成形力学性能及其本构关系

对不同晶粒大小、不同特征尺寸的H62黄铜箔进行微拉伸实验,分析试样晶粒大小和特征尺寸对材料变形行为的影响。随着晶粒尺寸的减小,试样拉伸屈服应力逐渐增大,晶粒尺寸对屈服应力的影响满足Hall-Petch细晶强化关系;屈服强度随厚度的减小先减弱而后增强,随宽度的减小而增强;晶体塑性理论、表面层模型可以解释延伸率、抗拉强度随比表面积的增大而减小的现象。在实验数据的基础上通过修正双线性模型建立微塑性成形本构模型。     

一个考虑循环应变幅值历史效应的粘塑性本构模型

本文提出了一个考虑材料应变幅值历史效应的粘塑性本构模型。在该模型中，引入了三个具有不同演化速率的背应力演化方程；建立了非弹性应变幅值历史记忆模型，对各向同性变形阻力，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不锈钢循环变形行为描述中，其预言结果与实验结果吻合得很好，表明该模型能很好地描述材料的循环应变幅值历史下的循环变形行为。     

纳米晶材料变形行为的微观力学模型

本文将纳米晶材料视为包括晶粒和晶界的两相复合材料。基于能量平衡概念推导出纳米晶材料的增量本构关系。最后将本文发展的模型用于纯铜的单轴拉伸实验,讨论了晶粒大小、形状和晶粒分布的影响,并将模型预测的结果和已有的实验结果进行比较。     

纳米晶材料变形行为的微观力学分析

将纳米晶材料视为包括晶粒和晶界的两相复合材料.基于能量平衡概念推导出纳米晶材料的增量本构关系.最后将本文发展的模型用于纯铜的单轴拉伸实验,讨论了晶粒大小、形状和晶粒分布的影响,并将模型预测的结果和已有的实验结果进行比较.     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态,研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下,电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大,随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程,具有与基体完全不同的等轴晶形貌,晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构,既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构,也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构,即(111)沿着宏观剪切面,<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界,同时存在与基体相同的孪生织构,可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

考虑运动硬化的DD3镍基合金力学行为研究

详细介绍了镍基合金的晶体塑性本构模型,在Asaro大变形晶体塑性框架下,详细介绍了镍基合金的晶体塑性本构模型,在Asaro大变形晶体塑性框架下,引入了运动硬化规律,考虑了温度和应变率对晶体塑性变形的影响,通过针对每个滑移系考虑屈服准则和流动规律建立了晶体塑性模型. 对积分过程进行了推导,通过编写ABAQUS材料用户子程序(UMAT), 实现本构模型的有限元积分算法. 在此基础上模拟了DD3镍基单晶合金在单轴拉伸和循环载荷下的响应,并与实验数据进行了对比. 利用该模型可以很好地模拟镍基单晶所具有的各向异性特性,体现了镍基单晶在循环载荷作用下的拉-压不对称性.      

超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型

超弹性镍钛形状记忆合金因其良好的力学性能以及独特的超弹性和形状记忆效应已广泛应用于土木工程、航空航天和生物医疗等多个领域,在实际服役环境中超弹性镍钛合金元件不可避免地会承受不同应力水平的循环载荷作用,亟待建立描述相变棘轮行为(即峰值应变和谷值应变随着正相变和逆相变循环的进行不断累积)的循环本构模型.为此,基于已有的超弹性镍钛形状记忆合金在不同峰值应力下的单轴相变棘轮行为实验研究结果,在广义黏塑性框架下,对Graesser等提出的通过背应力非线性演化方程反映超弹性镍钛形状记忆合金超弹性行为的一维宏观唯像本构模型进行了拓展,考虑了正相变和逆相变过程中特征变量的差异及其随循环的演化,以非弹性应变的累积量为内变量引入了正相变开始应力、逆相变开始应力、相变应变和残余应变的演化方程,同时通过峰值应力与正相变完成应力的比值来确定演化方程中的相关系数,建立了描述超弹性镍钛合金单轴相变棘轮行为的本构模型.将模拟结果与对应的实验结果进行对比发现,建立的宏观唯像本构模型能够合理地描述超弹性镍钛形状记忆合金的单轴相变棘轮行为及其峰值应力依赖性,模型的预测结果和实验结果吻合得很好.