工業(yè)金屬及其復(fù)合材料動(dòng)態(tài)塑性變形本構(gòu)建模研究

工業(yè)金屬及其復(fù)合材料動(dòng)態(tài)塑性變形本構(gòu)建模研究材料在受到動(dòng)態(tài)加載時(shí),在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變形,在此過(guò)程中材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)與準(zhǔn)靜態(tài)加載下的力學(xué)響應(yīng)有著很大差異,因此材料在動(dòng)態(tài)荷載下的塑性本構(gòu)關(guān)系一直是材料加工與力學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容。構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)塑性本構(gòu)方程,需在建模過(guò)程中采用實(shí)時(shí)的材料狀態(tài)變量,并將狀態(tài)變量與材料的微觀結(jié)構(gòu)演化特征緊密聯(lián)系起來(lái)。一個(gè)普適的、準(zhǔn)確的本構(gòu)模型,對(duì)金屬及其復(fù)合材料在工程中的優(yōu)化應(yīng)用有著重要意義。本文基于晶體塑性變形的熱激活位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)理論,分別針對(duì)具有不同微結(jié)構(gòu)和形變規(guī)律的fcc金屬、bcc金屬、hcp金屬,結(jié)合它們?cè)谧冃芜^(guò)程中各自不同的微結(jié)構(gòu)演化特征,在大應(yīng)變率跨度下進(jìn)行了物理本構(gòu)建模及實(shí)驗(yàn)研究。最后通過(guò)多參數(shù)非線性?xún)?yōu)化方法確定出了材料本構(gòu)模型參數(shù),將之成功應(yīng)用于多種典型工業(yè)材料上并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然后,針對(duì)雙相金屬基復(fù)合材料、金屬基納米復(fù)合材料(MMNCs)進(jìn)一步開(kāi)展了金屬基復(fù)合材料的本構(gòu)建模研究。主要研究工作包括:(1)面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)金屬的位錯(cuò)機(jī)制主要是克服林位錯(cuò)引起的勢(shì)壘阻礙,根據(jù)fcc金屬塑性變形機(jī)理分析,結(jié)合納米孿晶材料微觀演化特性,推導(dǎo)建立了其本構(gòu)模型。并將模型應(yīng)用于納米孿晶銅(nt-Cu)上,成功描述了nt-Cu在孿晶間距減小到納米尺度后出現(xiàn)的變形機(jī)制轉(zhuǎn)變規(guī)律。(2)體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)金屬的位錯(cuò)機(jī)制主要是克服Peier-Nabarro內(nèi)應(yīng)力引起的勢(shì)壘阻礙,據(jù)此機(jī)理分析推導(dǎo)建立了bcc金屬塑性變形的物理本構(gòu)模型。然后將本構(gòu)模型應(yīng)用于典型的bcc結(jié)構(gòu)金屬高強(qiáng)度低合金鋼(HSLA-65)上,有效地預(yù)測(cè)了其準(zhǔn)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)塑性變形力學(xué)行為并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果吻合。(3)對(duì)于密排六方結(jié)構(gòu)(hcp)金屬,因其兼具bcc和fcc兩種金屬材料的部分結(jié)構(gòu)特性,可通過(guò)這兩種金屬材料本構(gòu)方程的疊加原理獲得其本構(gòu)方程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AZ31鎂合金在極高應(yīng)變率下的變形過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)因動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后晶粒細(xì)化而引起的流應(yīng)力驟升現(xiàn)象。為了描述這一現(xiàn)象,我們?cè)趆cp本構(gòu)建模過(guò)程中進(jìn)一步發(fā)展了位錯(cuò)密度演化函數(shù),同時(shí)將本構(gòu)模型表達(dá)為分段函數(shù)形式,使得改進(jìn)后的新模型能夠分別預(yù)測(cè)很低和很高應(yīng)變率下材料的變形規(guī)律。新模型被成功應(yīng)用于AZ31鎂合金上,很好地描述和解釋了其在超高應(yīng)變率下的應(yīng)力驟升重要現(xiàn)象。(4)與此同時(shí),開(kāi)展了hcp金屬在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的壓縮試驗(yàn),并對(duì)不同加載條件下塑性變形后及斷裂試件進(jìn)行了微觀觀測(cè)分析,仔細(xì)地從實(shí)驗(yàn)角度研究了AZ31鎂合金的塑性變形機(jī)理,揭示了塑性變形過(guò)程中材料性能和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下變形孿晶/退孿效應(yīng)在其中高溫的塑性變形中起到了關(guān)鍵作用。而在高應(yīng)變率條件下,由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的晶粒細(xì)化則成為其變形機(jī)制轉(zhuǎn)變中最重要的因素。(5)雙相合金的的傳統(tǒng)本構(gòu)模型仍沿用單相均質(zhì)金屬材料的本構(gòu)模型,考慮到雙相鎢合金93W-4.9Ni-2.lFe材料本身的復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)特征,本文在其建模過(guò)程中分別對(duì)基體相和增強(qiáng)相的本構(gòu)模型進(jìn)行加權(quán)疊加,權(quán)系數(shù)中引入了隨宏觀狀態(tài)變量(應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度)演化的體分比函數(shù)。新建模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)模型比較表明,本文所提出的本構(gòu)模型優(yōu)于其他傳統(tǒng)模型,預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(6)針對(duì)金屬基納米復(fù)合材料(MMNCs)進(jìn)行了復(fù)合材料多尺度本構(gòu)建模研究,首先,為了引入納米陶瓷顆粒引起的增強(qiáng)效應(yīng),在建模時(shí)采用在基體材料本構(gòu)模型上疊加由增強(qiáng)相產(chǎn)生的各種不同的應(yīng)力增強(qiáng)項(xiàng),包括Hall-Petch增強(qiáng)項(xiàng)、Orowan增強(qiáng)項(xiàng)、熱傳導(dǎo)系數(shù)(CTE)不匹配增強(qiáng)項(xiàng)和彈性模量(EM)不匹配增強(qiáng)項(xiàng)等。接著,考慮到納米增強(qiáng)顆粒在制備過(guò)程中極易發(fā)生增強(qiáng)顆粒團(tuán)簇的現(xiàn)象,對(duì)模型中的顆粒平均尺寸做了重要修正,利用微觀概率統(tǒng)計(jì)方法引入對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)描述團(tuán)簇顆粒尺寸隨機(jī)分布規(guī)律,推導(dǎo)出團(tuán)簇顆粒的等效尺寸,使改進(jìn)后的本構(gòu)模型