细观损伤力学在金属塑性加工中的应用(20211109173729)

1、细观损伤力学在金属塑性加工中的应用1、数值模拟有限元分析软件提供了一些损伤与断裂模型 ,以用于金属塑性成形过程工件 与模具的损伤与断裂分析。Faura等应用Crockroft和Latham断裂准那么,研究了AISI-304钢板冲切过程，得出了根据材料和板厚选择凸、凹模间隙的数据。贾建 军等采用McCIintock断裂准那么，分析了精密冲裁时均匀塑性流动形成光洁外表以 及空穴长大引起的断面撕裂现象。 赵震等采用DEFORM 2D软件对AISI-1035钢的 落料、冲孔精冲工艺进行了弹塑性大变形有限元数值模拟 , 预测了材料变形过程 中静水应力、 等效应力和等效应变的分布以及开展趋势、 精冲最后阶

2、段微裂纹产 生开展和最终断裂。Samue利用FEM程序MARC-2D,采用Gurson损伤模型,对板 料冲切的全过程进行了分析。结果说明 , 随着凸、凹模圆角半径的加大 , 可以抑 制裂纹的萌生 , 产生断裂时凸模的压下量变大 , 同时等效应力与等效塑性应变也 随之增大 , 毛刺高度增加。2、精密冲裁变形过程的韧性损伤断裂精冲是指材料在冲栽过程中处于三向压应力状态 , 增强变形区的静水压 , 抑 制材料的断裂 , 使其在不出现裂纹的条件下以塑性变形的方式实现材料的别离 , 在汽车制造、 通用机械等部门得到广泛应用。 精冲模结构如图 1 所示。精冲是韧 性断裂过程 , 断面上有严重的应变硬化现象

3、 , 因此 , 精冲模具的刃口要倒圆 , 间 隙要足够小 , 压边力要足够大以造成纯剪的变形状态。 裂纹的形成依赖于最大剪 应力与剪应变集中程度。精密冲裁变形被限制在狭窄的间隙内 , 剪应变集中 , 应 力三轴度增长不大 ,因而空穴的形核与长大受到抑制 , 材料内部空穴型损伤不明 显, 失效破坏主要是由剪应变集中而造成的剪切断裂。 裂纹随凸模的下行而扩展 , 形成平整断面。在冲裁后期 , 间隙和变形厚度之比不断增大 ,变形区的拉应力会不 断增加 , 应力三轴度增大 , 损伤性质发生变化 , 塑性应变和应力三轴度的联合作 用会引起空穴的快速增长。 空穴型损伤引起的工件在毛刺侧撕裂 , 撕裂面由密

4、集 的椭圆形空穴所覆盖 ,光亮面几乎没有空穴。在冲裁的中后期 , 会出现剪切断裂 , 但随着应力三轴度增加 , 沿着冲裁断面空穴体积分数也会增长 , 这样断面光洁度 会降低 , 靠近毛刺侧断面比塌角侧要粗糙一些。在精冲时 , 刃口周围的材料发生 剧烈塑性变形 , 裂纹在塑性区内扩展 , 这就需要较大的变形力促使裂纹继续扩 展, 并且凸模必须冲完整个料厚。3、超塑性变形空洞损伤演化空洞是超塑性变形过程中普遍存在的组织变化，超塑性变形伴随着空洞的形核、长大，继而发生空洞的聚合或连接，最终导致材料断裂。同时在空洞长大和 连接过程中，又不断有新的空洞形核和长大。 所以，超塑性变形材料的损伤是空 洞群演

5、化过程的结果。研究和剖析材料超塑性成形过程中空洞损伤演变及其对成 形性的影响规律，具有重要实用价值。张哲等针对超塑20钢提出一种空洞形核于四晶粒之间的三过程模型。20钢超 塑变形过程中空洞形成的主要机制如图 2所示。其中，图2a为未受拉力之前的状 态,图2b为受单向拉力以后出现的微孔洞,图2c为微孔洞扩展和长大而形成的空 洞。5)(c)图2趙塑变形过程屮空洞的形成kt程模型3无空洞 (M空洞形成 空洞长大Bae等通过铝合金高温超塑性拉伸实验，研究了超塑性变形过程中，空洞形 核和早期长大的细观物理机制，给出空洞长大的数学模型。Chow等通过对粗晶 5052铝合金高温超塑性拉伸实验研究空洞演化，得

6、到了相同的结果。杨永兴采用 单轴拉伸对LY12粗晶材料进行超塑性研究。SEM断口分析说明，晶界上产生的 粘性物质对粗晶超塑性行为有决定性影响。 在高应变速率下，晶界上粘性层很薄 被粘性层包围着的晶粒和亚结构在相互挤压和相对转动中容易细化 , 有利于超塑性变形能力的提高且不易产生孔洞 , 室温性 能良好 ; 低应变速率下 , 大多数晶界上都有粘性物质包围且粘性层厚度增大 , 粘 性物质的增多使超塑性变形能力增强 , 但易产生孔洞 , 使室温性能恶化 ; 而中间 应变速率区间 , 晶粒细化程度不够 , 晶界上未产生较多粘性物质 , 有少量孔洞产 生且变形能力较差。超塑性成形空洞损伤演化过程研究正在

7、引起材料和力学研究工作者的高度 关注。基于连续损伤力学 , 在宏观唯象理论框架内的超塑性变形空洞损伤演化方 程已用于材料超塑性变形失稳研究和成形极限图的理论预测。目前，损伤理论仍处于开展阶段 , 韧性断裂准那么的适用性有限。 Venugopal 等对 10种体积成形问题在工程分析中常用的断裂准那么进行了比拟, 没有一种准那么是足够准确和普遍适用的。 为了较好地指导塑性加工工艺 , 有必要进一步研究 根底理论 ,构建一个具有一般性的断裂准那么来指导工程设计 ,以拓宽细观损伤力学 的开展和工程应用。 一方面 ,由于材料的多样性 , 如复合材料、纳米材料及纳米生 物复合材料、颗粒材料、功能材料等 , 材料的第二相粒子的大小、分布形态和相 互间作用等因素都会对孔洞的生长、 形核和聚集产生影响 ; 而且材料的很多性质 不能由单一的尺度决定 , 在不同的尺度层次上 , 有不同的物理性质或机制。 因此 , 需要开展新的模型、理论和方法。另一方面 , 塑性成形工艺多而复杂 , 如金属剪 切、拉深、弯曲、胀形、体积成形、超塑性成形等 ; 对于不同的变形