铸造镁合金塑性—蠕变交互作用的损伤本构模型及其应用

论文摘要

镁合金作为最轻质的金属结构材料之一,具有比强度高、铸造成形性好、机械性能和减震性能优良、延伸性好、电磁屏蔽能力强和回收容易等一系列优点,在汽车减重和性能改善中日益受到人们的重视。但迄今为止,其使用远远没有发挥其潜在的优势,主要原因在于常用镁合金大多采用铸造成形,材料内部不可避免地含有大量不同尺度的孔洞与二相夹杂,其微观组织随着服役时间的延长而劣化,导致强度和抗蠕变性能大幅度下降,使用寿命缩短。这是包含塑性、蠕变和损伤等及其相互耦合的复杂过程,它使得相关的研究受到了学术界和工程界的普遍关注。　在本文涉及的研究工作中,利用MTS 试验机对AM50 镁合金在110℃温度环境下的力学行为进行了一系列的试验,系统研究了镁合金循环蠕变的变形机理和主要影响因素。结果发现,在循环蠕变过程中,存在明显的蠕变加速、回复现象。通过试验分析了镁合金的损伤机制,为损伤模型的建立提供了依据。　在理论方面,基于含内变量的不可逆热力学,通过在由不可逆应变和牛顿时间所构成的空间中合理地定义广义时间,引入孔洞型损伤,建立了耗散材料粘弹塑性损伤本构模型。与此同时,采用Gurson模型考虑镁合金在铸造过程中及由二相粒子脱落等所造成的孔洞型损伤,建立了基于含球形孔洞的有限体积球体的损伤模型,由此建立了混合强化材料的损伤演化规律。该模型能够考虑复杂应力状态下材料的响应特性,重要的是,所建立的本构模型不以屈服面的存在为基本前提,但可获得含屈服面的情形作为其特例;在蠕变变形与塑性变形的描述方面,不采用分离型的方法分别对它们进行描述,而将两种变形均视为由热激活导致的不可逆变形统一的对其进行描述,从而更有效地描述两者间的相互作用。　本文发展了不含屈服面的粘弹塑性损伤本构模型的数值分析方法及计算程序,对镁合金在循环载荷作用下的响应特性进行了数值模拟。计算结果与试验结果吻合较好,表明所建立的损伤本构模型能够较好地描述镁合金的蠕变加速、回复等试验现象。为了验证所建立的本构模型在多维非比例复杂加载史下材料响应特性分析中的有效性,本文对高温环境二维应力路径复杂加载史下304 不锈钢的塑性-蠕变交互作用过程进行了分析,取得了与试验相吻合的结果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 镁合金在汽车工业中的应用现状及发展趋势
• 1.1.2 镁合金应用前景中所面临的挑战
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 内时理论及其研究进展
• 1.4 本文的研究内容及意义
• 1.4.1 本文的研究内容与方法
• 1.4.2 本文的研究目的和意义
• 2 镁合金蠕变特性的试验研究
• 2.1 试验设计
• 2.1.1 试验设备简介
• 2.1.2 材料与试件
• 2.1.3 试验过程
• 2.2 试验结果及分析
• 2.2.1 AM50 在110℃时的简单拉伸试验结果及分析
• 2.2.2 AM50 在110℃时的静态蠕变试验结果及分析
• 2.2.3 AM50 在110℃时的循环蠕变试验结果及分析
• 3 镁合金粘弹塑性损伤本构模型
• 3.1 引言
• 3.2 耗散材料粘弹塑性损伤本构模型
• 3.3 强化函数及其物理基础
• 1'>3.3.1 强化参数ρ与d₁
• 2'>3.3.2 附加交错强化因子f₂
• 3.3.3 附加蠕变强化因子fc
• 3.4 本章小节
• 4 基于微孔洞形核和生长的损伤演化
• 4.1 耗散材料损伤过程的热力学讨论
• 4.2 基于镁合金微结构及缺陷分析的损伤变量
• 4.3 球形孔洞模型
• 4.4 孔洞的损伤演化
• 4.4.1 孔洞扩展率
• 4.4.2 孔洞形核率
• 4.4.3 孔洞损伤演化率
• 4.5 本章小节
• 5 本构模型的应用与验证
• 5.1 不含屈服面的粘弹塑性损伤本构模型
• 5.2 增量型本构方程
• 5.3 算法设计与材料参数确定
• 5.3.1 算法设计
• 5.3.2 材料参数确定
• 5.4 本构方程的验证与数值计算
• 5.5 304不锈钢在二维应力路径下的响应特性
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书