金属非均匀塑性变形和低循环破坏细观的研究.pdf

金属非均匀塑性变形与低循环破坏细观研究 摘要 为在细观尺度下研究金属材料力学性质的不均匀性、塑性各向异性以 及低循环疲劳过程中的材料力学性质变化，本文以金属材料作为研究对象， 结合试验以晶体塑性本构理论为基础在晶粒尺度下开展了金属材料的不均 匀塑性变形及其低循环破坏的研究，以此探讨更贴近材料物理本质的塑性 本构关系和材料的破坏机理。 作者结合试验测试，采用晶体塑性材料子程序模拟了单轴拉伸下单晶 铜、多晶铜试样的滑移变形。对晶体粘塑性模型进行了合理性的分析，证 实了用单晶滑移本构关系来模拟多晶行为的可行性。采用Voronoi多晶集合 体为材料的代表性单元，开展了双向加载下多晶材料屈服面演化和塑性流 动规律理论描述的研究。在经典晶体塑性模型基础上引入了考虑非线性运 动硬化的背应力描述，在此基础上开展了多晶集合体在循环加载下材料的 屈服特性和循环硬化的各向异性研究。文中还采用细观统计的方法分析了 多晶材料在疲劳过程中材料内部细观变形和转动的不均匀性，对材料的疲 劳破坏机理做了尝试性的探索。 本文研究主要取得以下进展： 1．通过对单轴拉伸下单晶铜试样滑移特征的模拟和试验研究，证实了 建立在连续滑移描述基础上的晶体塑性理论用于描述单晶力学行为的合理 性。 2．通过单轴拉伸下多晶铜试样表面滑移带特征的模拟研究，证实了将 单晶滑移本构关系与多晶集合体代表性单元相结合来模拟多晶金属材料力 学行为的可行性。计算所得到的试样表面各晶粒的滑移带所表现的样式与 实验观察现象较为吻合，对材料变形过程中应力、应变的不均匀统计分析 可以合理地反映由微结构演化引起的多晶体变形的不均匀性。 3．利用Voronoi多晶集合体代表性单元进行了多晶材料后继屈服面演 化和塑性流动规律理论描述的研究，揭示了多晶金属后继屈服面演化与塑 性变形的细观过程及其影响因素。 4．采用考虑非线性硬化的背应力描述的晶体塑性模型，结合拉压对称 应变循环试验，对多晶金属材料在循环加载下的复杂力学行为进行了模拟 研究，所得结果可以描述多晶材料不同应变幅的循环滞回环的形成，并能 描述多晶集合体在循环加载下材料的屈服特性演化和塑性变形诱导的各向 异性硬化。 5．结合低循环疲劳寿命试验，对不同应变幅下的低循环加载过程进行 了模拟。根据模拟结果，采用细观统计方法对疲劳加载过程中多晶体内部 的微观应力、应变以及材料的细观转动作了详细的分析，证实材料对称拉 压循环下的低循环疲劳破坏与晶体塑性分析所得的材料细观应变统计参数 COV紧密相关。 关键词：非均匀 晶体塑性屈服特性低循环疲劳统计分析 U ON INHOMOGENOUSPLASTICDEFOR MATIONAND LOW CYCLICFAILURE BYⅣ匝SOⅣ【ECHANICS ABSTRACT Inthis orderto dissertation，in and study inhomogeneity,plastic anisotropy mechanical of metals low propertieschange duringcycle in level，the deformationandlow mesoscopic inhomogeneousplastic