黄世鸿[1]2017年在《金属材料后继屈服面演化的实验与晶体塑性数值研究》文中研究说明承受复杂荷载的金属结构在服役过程中不可避免会产生塑性变形,需要透彻了解金属材料在复杂加载条件下的塑性行为并建立合理的本构模型,以确保服役安全。要合理准确地计算塑性变形,很大程度上要依赖屈服面能否得到合理描述。但是大量研究表明,经典宏观本构模型对塑性变形过程中屈服面的演化及与之相关的塑性流动规律的描述,与实验观测结果是有很大差异的,因此为能更好地描述金属结构在实际工程中的塑性破坏行为,有必要进行更深入的研究。为测试材料经历不同预变形的后继屈服面,探讨其演化规律,本文采用纯铜薄壁圆管试样,分别采用单试样法和多试样法从不同测点数目、测试顺序、不同指定平移应变造成的影响以及实测屈服面出现内凹现象等方面进行了研究,并分析了两种测试方法的合理性与有效性。在此基础上,采用Chaboche宏观塑性本构模型模拟多试样法测试后继屈服面,探讨其对屈服面描述的适用范围、不足与局限性;采用能反映Bauschinger效应的晶体塑性本构模型,结合满足周期性边界条件的代表性单元模型及能反映多晶材料变形特征与真实试验相一致的整体试样有限元模型,来模拟单试样法和多试样法实测屈服面过程,对采用薄壁圆管试件测试后继屈服面从实验与数值模拟上都出现内凹,与经典塑性理论由Drucker公设导出屈服面外凸的基本推论相违背这一问题及原因进行探讨分析;分别从材料微元及结构性整体试件两种不同尺度上进行塑性行为分析的数值研究。研究主要取得了以下进展:1.通过系统的单试样法和多试样法测试研究,发现无论采用哪种方法,实测后继屈服面都与经典塑性理论建议的屈服面都有很大差异。2.发现两种方法测得的后继屈服面的形状和大小也有明显差异,单试样法测试结果对测试点数、路径和顺序很敏感,而多试样法测试结果则不会受到以上因素的影响,在试样间材质差异较小的情况下,用多试样法测试比单试样法更合理、可靠。3.测试结果发现Chaboche模型能够描述后继屈服面在应力空间的移动和胀缩,但无法反映小平移应变来定义的屈服面形状(曲率)的改变,对于用较大平移应变来定义的后继屈服面的演化,用经典Chaboche宏观塑性本构模型来描述是可以接受的。4.采用代表性单元体模型结合晶体塑性计算对T2纯铜进行在不同单调预加载及循环加载下的多试样法后继屈服面模拟测试,再现了与实测相同的后继屈服面的演化规律,但模拟所测试的后继屈服面不会出现内凹现象。结论与经典塑性理论由Drucker公设在均匀材料基础上导出屈服面外凸的推论是相吻合的。5.采用空心薄壁圆管整体试件有限元模型结合晶体塑性计算对不同预加载的单试样法与多试样法后继屈服面测试进行的模拟可再现真实试验过程,模拟后继屈服面测试的演化过程与实测一致,都出现了与经典塑性理论相悖的内凹现象.6.整体试件模型晶体塑性模拟测试与真实试件实测的后继屈服面不满足外凸性,而多晶单元体模型模拟测试结果在“屈服面外凸”这一点与经典塑性理论一致,表明薄壁圆管试件测试后继屈服面出现内凹主要是试件的结构响应所导致。这一研究证实了采用晶体塑性本构模型模拟能再现屈服面实验过程,并能合理反映金属材料的真实细观变形机制以及描述屈服面演化的能力。通过对比不同测试方法的试验结果结合两种有限元模型的模拟结果进行分析,给出了薄壁圆管试件测试后继屈服面出现凹点的合理解释。
赵萍[2]2011年在《航空发动机单晶叶片的多轴低周疲劳研究》文中提出单晶高温合金具有优异的高温力学性能,是制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料。涡轮叶片工作在高温、高压和高转速的环境中,并且受到反复的疲劳载荷作用,疲劳断裂是引起叶片断裂的一个主要原因。本文将晶体塑性理论和非线性运动硬化规律应用于低周疲劳研究,采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法,基于国内第一代镍基单晶高温合金DD3,以航空发动机单晶叶片为研究对象,对其单轴、多轴疲劳等多种疲劳形式进行了深入系统的研究,以期探索一种合理有效的航空发动机单晶叶片低周疲劳本构模型。论文的主要工作如下：1.在Hill屈服准则基础上,考虑单晶材料剪应力分量之间的相互作用对屈服的影响,提出一个更适合单晶的屈服准则(简称SC屈服准则),SC屈服准则能更精确地预测DD3三个主要承载方向的屈服应力。以此为基础,建立了一个基于晶体塑性理论和非线性运动硬化的航空发动机单晶叶片低周疲劳本构模型(简称NLDH本构模型),并给出了NLDH本构模型中运动硬化背应力、参考剪应力、分解剪切应力的确定方法,开发了基于有限元软件ABAQUS的用户子程序,实现了SC屈服准则和NLDH本构模型数值模拟工具的开发。2.应用NLDH本构模型对DD3单晶三种晶体取向的单轴低周疲劳标准试样的应力-应变响应进行了模拟,并开展了相应的试验研究。有限元分析方法模拟的应力-应变曲线和试验结果非常吻合,证明了NLDH本构模型在单晶单轴低周疲劳预测中的应用可行性。试验结果还表明：DD3单晶合金的单轴低周疲劳具有显著的各向异性,以[111]取向的寿命最长,[001]取向次之,[011]取向的寿命最短。此外,本文还首次探讨了棘轮效应对单晶低周疲劳寿命的影响。3.应用NLDH本构模型对带切口的DD3单晶试样低周疲劳应力-应变响应进行了模拟,并开展了不同温度和应力比条件下的带切口单晶试样的低周疲劳行为的试验研究。有限元分析结果表明：试样的切口尖端都存在着应力松弛现象,应力松弛的程度受加载条件和应力集中程度的影响,应力松弛能在一定的程度上减弱疲劳裂纹的扩展速率,从而延长疲劳寿命。同时,切口尖端出现了明显的棘轮效应,当塑性变形累积增加到一定的程度,切口就会有裂纹启裂直至试样最后断裂。试验结果表明：在相同温度和应力比条件下,切口疲劳寿命受应力集中程度和加载条件的共同影响,这与有限元分析结果是一致的。因此,在分析某一部件切口位置的疲劳寿命时,必须把部件切口部位的应力集中程度和其实际受力情况进行综合考虑。此外,采用有限元计算结果预测的切口试样低周疲劳寿命与试验得到的低周疲劳寿命基本一致,证明了NLDH本构模型可以应用到多轴应力状态下的低周疲劳行为研究。4.利用正交优化试验设计方法进行了非标准DD3单晶薄壁圆筒试样拉-扭复合加载下的试验方案设计,首次进行了非标准DD3单晶薄壁圆筒试样的设计和加工。首次进行了非标准DD3单晶薄壁圆筒试样的拉-扭复合加载低周疲劳试验,并利用电子扫描显微镜观察了断口,对试验结果进行比较全面深入地分析。利用NLDH本构模型对薄壁圆筒试样-多轴应力下的低周疲劳行为进行了有限元分析和寿命预测,有限元模拟结果能在一定程度反映拉-扭加载下的低周疲劳行为特性,寿命预测也有较高的准确度,这进一步验证了本文提出的NLDH本构模型在多轴低周疲劳分析中的可行性。5.采用国外先进的XactLIFETM系统和本文提出的NLDH本构模型分别对某单晶涡轮叶片出现的裂纹故障进行了深入的分析,两系统都能较为准确的预测该涡轮叶片的断裂位置。但XactLIFETM系统分析认为蠕变是裂纹形核的主要驱动力。而NLDH本构模型预测的断裂模式是疲劳断裂,这与该单晶涡轮叶片的断裂形貌更为一致,说明本文提出的NLDH本构模型可以更好的描述镍基单晶涡轮叶片的断裂机理。
胡桂娟[3]2012年在《拉扭加载下金属材料的塑性行为》文中指出承受复杂荷载的工程结构、构件和零件多用金属材料制成,要保证它们的安全服役,需要透彻了解复杂加载条件下金属材料的塑性行为并建立合理的本构模型。由于变形机制的复杂性,金属在复杂加载情形下塑性行为还很难准确描述。原因是现有本构模型对屈服面的演化及与之相关的塑性流动规律的描述不够合理,还需在大量的实验、理论和数值研究的基础上加以完善。本文分别采用单试样和多试样方法对45号钢、多晶铜和多晶铝进行拉扭复杂加载条件下屈服面演化规律的试验研究。对单试样和多试样方法进行了对比分析,探讨了用单试样法测试屈服面的局限性,用大量试样开展了多试样法屈服面演化的试验研究,证明了多试样法的可靠性。采用Chaboche粘塑性模型,通过对工程实际应用材料45号钢进行了拉扭试验的宏观数值模拟,检验了经典塑性本构模型对屈服面的描述能力。提出了完整试样宏观联合拉扭模拟结合三维多晶集合体代表性单元子模型的屈服面演化模拟计算方法,在此基础上对材料结构相对简单的多晶铜和多晶铝材料进行了晶体塑性行为分析的细观数值模拟研究。本文主要研究结论和创新点总结如下：1.对确定材料后继屈服面的单试样和多试样试验方法开展了比较研究。研究表明,单试样法屈服点的测试顺序和测试点数对所测得的屈服面的形状有很大影响。第一测试点与预加载方向相反时,所得屈服面会出现“内凹”现象,反之,则不出现“内凹”现象。说明用单试样法确定的后继屈服面因测试路径不同而不同,结果明显不合理且与塑性基本理论相悖。而采用多试样法得到的后继屈服面不出现“内凹”现象,且屈服测试点与加载顺序无关,分散性可控制在一定范围,理论上合理。本文研究得到了采用多试样法研究屈服面演化更为合适的结论,为证实当前被国外很多学者应用的单试样法的不合理性提供了测试实例。2.采用多试样试验方法对45号钢进行了拉扭加载条件下的后继屈服面与塑性流动规律的系统研究。通过研究预加载路径、卸载范围、屈服定义和预变形程度对屈服面演化规律的影响,表明后继屈服面的“尖角”方向与预加载方向相同,在预加载相反方向屈服面趋于扁平。屈服定义和预加载路径对屈服面的形状和塑性流动方向均有显著影响,目标平移应变较大的屈服定义所得屈服面较接近圆柱面,且塑性流动方向与屈服面近似正交。平移应变越小,所得屈服面越小、“尖角”现象越显著,且塑性流动方向与屈服面正交方向的偏离角越大。这一结论表明经典塑性理论对屈服面形状的描述在塑性变形较小时与实际情形有较大误差,不利于疲劳分析。3.探讨了Chaboche模型关于背应力和屈服半径描述的合理性。推导了考虑粘塑性和非线性硬化的本构模型隐式积分算法,在此基础上编写了ABAQUS/UMALT材料用户子程序。用它对45号钢的单轴拉伸和不同应变幅拉压循环试验进行了数值模拟,从宏观角度探讨了多试样法测试45号钢后继屈服面的过程。研究结果表明：Chaboche塑性本构模型能够描述较大平移应变定义的屈服面的膨胀和移动,但不能描述小平移应变定义的屈服面的“尖角”、“钝尾”等形状演变的现象。4.提出了完整试样宏观联合拉扭模拟结合三维多晶集合体代表性单元子模型的屈服面演化模拟计算方法：首先采用宏观弹塑性本构模型模拟试样尺度上的力学响应,得到试样指定位置处子模型多晶集合体代表性单元的位移边界条件,运用晶体塑性本构模型对多晶集合体代表性单元的力学行为进行分析。该子模型计算方法实现了宏观试样尺度与晶粒尺度的跨尺度分析,降低了材料力学行为模拟的计算量,能描述细观尺度上材料非均匀变形的行为和过程。5.针对预拉伸和预扭转变形后的拉扭组合试验,用子模型法建立多晶集合体单元,结合晶体塑性理论对多晶铜进行了晶粒尺度的屈服特性研究,探讨不同加载路径和不同屈服点定义对材料后继屈服描述的影响；通过对不同加载路径多晶铜非均匀性的统计分析,探讨加载历史对多晶材料细观塑性变形不均匀性的影响。对试验的数值计算表明,运用子模型的晶体塑性模拟与后继屈服试验的实测结果有较好的吻合。6.结合对多晶铝进行的复杂循环加载下后继屈服面试验研究,考虑非线性运动硬化,用多晶集合体代表性单元结合子模型的计算方法实现了后继屈服面演化的晶粒尺度数值模拟。发现和证实了考虑多晶材料微结构特性和晶粒变形方式的多晶代表性单元模型的数值模拟能够合理呈现屈服面演化的方向差异-“前尖后扁”现象,且与试验观察结果比较吻合。说明本文方法可为往复加载条件下材料晶粒尺度的塑性变形规律研究提供有效的分析工具,并可为改进现有材料塑性行为的描述提供参考。
孙守光[4]1992年在《非比例循环加载下的晶体塑性本构理论》文中提出本文首次建立了适合于多晶体非比例循环硬化描述的单晶硬化律。该硬化律与加工硬化的物理机制和单晶实验资料相一致，并满足晶体塑性理论解的唯一性要求。多晶体在非比例循环加载下的数值计算结果与相应的实验研究的比较充分证实了该单晶硬化律的适用性。 本文还针对KBW理论建立了非比例加载的路径迭代格式，并建立了开动滑移系的搜索方案。多晶体在非比例循环加载下的数值计算表明：本文建立的路径迭代格式和开动滑移系搜索方案是可靠的，并具有很高的计算效率。
陆晓霞[5]2004年在《非经典粘塑性单晶本构关系及其在蠕变—塑性交互作用中之应用》文中认为近年来,随着汽车、核电、航空、航天和新材料等高新技术产业迅速发展的需要,在复杂环境下(如高温、高压、地震、工程大爆破、高速加工成型)材料行为的研究引起人们强烈的关注。为能在上述工况下机器的零部件按设计的要求正常工作,有必要在不同层次和不同载荷条件下,对材料力学性能、破坏机理和合理的寿命估计进行研究,以避免发生灾难性事故。因此,作为结构可靠性和寿命分析基本前提的材料本构关系研究成为急待进行的重要工作。近二十年来由于计算机、液压伺服高级材料试验机和高倍率电镜等技术的发展,为人们更深入地研究在各种复杂载荷条件下的材料本构行为提供了更有力的手段。大量的实验和理论研究表明:尽管经典塑性理论具有重要的理论意义和应用价值,但人们有理由不局限在经典塑性理论的框架内去发展新的塑性理论,而从微观的角度探讨金属材料的本构特性。从微观的角度探讨金属材料的本构特性属于晶体塑性理论研究的范围。由于晶体塑性理论直接基于不可逆变形的微观机制,具有坚实的理论基础。用宏微观相结合的方法研究工程材料的力学性能是当前固体力学和材料科学等相关研究领域的热点和难点,具有重大的理论意义和实用价值。从这一思想出发,本文作了以下工作:基于不可逆变形过程中材料微结构的储能特性,采用由弹簧和阻尼器组成的机械模型建立不带屈服面的单晶粘塑性本构关系。在晶体滑移系上引入与材料即时响应有关的塑性阻尼器及与材料粘性有关的牛顿阻尼器以计及材料滑移系的粘塑性特性。基于内变量热力学和绝对反应速率理论建立率相关单晶本构方程。利用KBW模型建立多晶体材料的粘塑性本构关系,其相应的计算格式中无需对滑移系的开动进行搜索,使计算工作量大为简化。在多晶体宏观响应特性的分析中,采用以正二十面体为基础的一种基于各面内随机取向单晶的高斯积分平均和二十个方向上的算术平均的混合平均方案。在此基础上发展了蠕变-塑性及其交互作用的数值计算方法。对面心立方多晶体合金316不锈钢在高温环境二维路径条件下的蠕变-塑性的交互作用进行了描述,获得了与实验相吻合的结果。
苏莉[6]2007年在《纯铜的后继屈服面及复杂加载下塑性流动试验研究》文中研究表明本文利用退火多晶铜薄壁管件进行拉扭组合试验的数据结果，研究屈服、后继屈服及塑性流动的规律，为建立合理的塑性本构关系提供依据。文中分别研究了拉伸预应变和扭转预应变方向对后继屈服面的影响，以及后继屈服面在等效应力坐标(σ-3γ~(1/2))和π万平面上的演化趋势；讨论了不同的屈服点定义对后继屈服面描述的影响。试验研究表明，后继屈服面表现为与预加载方向相关；预扭转试验的后继屈服面在预加载方向上可以出现明显的尖点现象，而后继屈服面尖点与屈服定义有关；若采用平移应变法确定屈服应力，平移应变取值越大，后继屈服面在非预加载方向扩张越大且后继屈服尖点现象越不明显。 对退火多晶铜在比例及非比例加载时的塑性流动规律进行了研究，讨论了正交流动法则的适用性，以及循环应变加载时圆形路径、十字形路径下塑性应变率与偏应力和偏应力增量夹角θ_1、θ_2的变化规律，结论表明圆形应变路径下的附加强化强于十字形应变路径，在圆形应变路径下，塑性应变率与偏应力、偏应力率的夹角θ_1、θ_2在一个循环周次内呈有规律的周期性波动，并且塑性应变率方向及各夹角的演化强烈依赖于应变路径的形状。 分析同时表明屈服的定义影响是多面的。不同的名义应变定义不仅影响着屈服面的形变，还对塑性应变率的方向产生影响，在预扭转后的混合加载过程中，名义应变取值越小(越接近比例极限屈服)，塑性应变率的方向与偏应力的方向相差越大，反之则二者方向越接近重合。 文中采用一种率无关的非线性运动强化模型，讨论了模型的材料参数确定问题，提出了一种实用的模型参数确定方法，并用此方法确定了多晶铜材料的模型参数，利用这些参数进行了单轴对称循环及双轴循环加载的模拟计算。 屈服、后继屈服以及塑性流动规律是塑性理论的核心基础，本文的试验和理论分析表明：经典塑性理论关于屈服、后继屈服和塑性流动规律的描述是不够准确和不够合理的。这种理论上的不足，对于金属的强度估计特别是循环载荷下金属的疲劳强度估计有可能造成严重的偏差。
董亚伟[7]2014年在《多晶金属棘轮行为的微观机理及相关本构模型研究》文中进行了进一步梳理棘轮效应是材料或结构在非对称应力控制循环载荷下产生的一种塑性应变的累积现象。棘轮变形的产生将会导致结构变形超限或者疲劳寿命降低而不能正常工作,需要在结构设计和寿命预测时予以重点考虑。近30年来,国内外的许多学者对金属材料的棘轮行为开展了广泛的实验研究和理论描述。然而,绝大部分的研究都是宏观实验研究和基于宏观实验唯象地对棘轮行为进行理论描述,很少涉及到不同晶体结构材料棘轮变形的微观机理以及基于微观机理的本构模型研究。由于没有考虑棘轮变形的微观机理,目前已有的本构模型都有各自的局限性,不能对棘轮行为进行全面而准确的描述,过多的材料参数也限制了此类本构模型的工程应用,仍需大力发展。为此,很有必要首先对材料在单轴和非比例多轴下棘轮变形的微观机理进行深入和系统的研究,获得棘轮变形过程中微结构的演化规律,揭示材料棘轮变形的微观机理,进而建立基于微观机理的、全新的循环本构模型,提高对金属材料棘轮行为的预测能力。为了对不同晶体结构的多晶材料的棘轮变形微观机理进行系统的研究和建立基于微观机理的循环本构模型,本论文开展了以下研究工作：1.室温下,对两种多晶材料(面心立方低层错能的316L不锈钢和体心立方高层错能的20碳钢)开展了系统的单轴、非比例多轴应变控制和非对称应力控制循环实验研究。讨论了两种材料的应变循环特性、应力水平和加载路径对棘轮变形的影响,同时为研究棘轮变形微观机理的微观实验观察提供了试样以及为基于微观机理的本构模型的研究提供了实验基础。2.在宏观实验的基础上,针对同一加载工况下不同循环周次的一组试样,通过透射电子显微镜观察了棘轮变形不同阶段材料内部典型的位错亚结构及其演化规律。通过与单轴拉伸和对称应变循环过程中材料内部位错组态及其演化的对比,对两种材料的单轴、非比例多轴棘轮变形的微观机理进行了定性的解释。这部分研究工作对比了两种不同晶体结构多晶材料棘轮变形的微观机理,得到了一些对于揭示立方晶体多晶材料棘轮变形微观机理有用的结论,同时给建立基于位错机制的棘轮本构模型提供了物理基础。3.在循环变形的宏观实验结果和微观机理研究的基础上,引入了棘轮变形的位错机制,在小变形晶体塑性框架下,改进和发展了一个新的晶体塑性循环本构模型,对两种多晶材料的棘轮行为进行了模拟和预测。模型中引入了修正的与位错演化相关的Armstrong-Frederick非线性随动硬化演化率,同时采用与位错短程交互作用相关的临界剪应力来描述各项同性硬化。新发展的模型能对面心立方316L不锈钢和体心立方20碳钢的单轴和非比例多轴棘轮行为进行合理的描述；同时模型的单晶形式能合理预测了两种材料在单晶层次上的棘轮行为,反映单晶棘轮行为的晶体学取向和应力水平依赖性。
陈志超[8]2011年在《多轴非比例载荷下金属材料的疲劳寿命预测》文中指出在工程实际中，零部件承受的载荷大部分为多轴载荷。国内外关于多轴疲劳的研究虽然有了一些进展，但由于多轴疲劳本身的复杂性，目前在理论和试验研究方面还很不成熟。因此，对金属在多轴载荷下的疲劳寿命预测进行系统地研究具有重大的理论意义和工程应用前景。详细分析了多轴非比例载荷对疲劳寿命的降低作用随材料延性的变化趋势和随载荷幅值的变化趋势，讨论了等效应力（应变）幅值相同的情况下，载荷路径的变化对于疲劳寿命的影响，定义了一个附加强化度，该系数在多种材料，不同加载路径以及高低周寿命阶段情况下都与多轴非比例载荷引起的疲劳寿命降低程度有较好的对应关系。用附加强化度，结合Ramberg-Osgood方程，对多轴循环等效应力应变关系中的循环强度系数进行了修正，提出了一个多轴循环应力应变关系模型，并采用45钢实验数据进行了验证，试验结果与预测结果吻合良好。基于宏观积分法，提出了一个新的多轴高周疲劳破坏准则，并对该准则的材料适用范围和平均应力的影响进行了探讨，经多种材料试验数据验证，并与以往常用准则进行比较得出，本文提出的准则预测结果较好。对多轴低周疲劳寿命预测模型进行了总结与分析，考虑附加强化效应对多轴低周疲劳寿命有很大影响，提出一个考虑附加强化效应的临界面方法，经试验数据验证，该方法对多轴疲劳寿命预测令人满意。
于超[9]2015年在《NiTi形状记忆合金宏细观热—力耦合循环本构模型研究》文中研究说明NiTi形状记忆合金以其优越的超弹性、形状记忆特性、生物相容性以及高阻尼特性,被广泛地应用在航空航天、生物医学工程、土木工程等领域。NiTi形状记忆合金作为结构中的关键元件,在服役过程中常常受到循环热-力荷载的作用。在NiTi形状记忆合金的循环变形过程中,功能性劣化(超弹性和形状记忆效应的劣化)和热-力耦合效应是两个不可忽略的重要因素,并且相互作用和影响。因此,很有必要建立考虑功能性劣化特性和热-力耦合效应的本构模型来描述和预测NiTi形状记忆合金结构和器件在各种复杂热-力荷载作用下的循环变形特性。近年来,已有不少学者基于实验现象在不同尺度上建立了NiTi形状记忆合金的本构模型。在宏观尺度上,已有的模型仅仅考虑了功能性劣化特性或热-力耦合效应中的一种,对功能性劣化特性的描述采用唯象方法,缺乏相应的物理机理。在细观尺度上,已有的模型仅仅关注NiTi形状记忆合金在一个加-卸载下的热-力学响应,由于尚未考虑到材料功能性劣化所对应的内在机制,无法对NiTi形状记忆合金循环变形特性给出合理的描述。可见,已有的本构模型还不够完善,仍有较大的局限性。针对以上不足,本文将在不同尺度下建立NiTi形状记忆合金的热力耦合循环本构模型,开展的创新性工作如下：(1)在宏观尺度下,通过对已有宏观-微观实验现象的总结,提出了NiTi形状记忆合金在循环变形过程中超弹性劣化的物理机理,即马氏体相变和缺陷的交互作用。基于热力学框架,针对超弹性NiTi形状记忆合金建立了一个能够同时描述其超弹性劣化和率相关变形行为的热-力耦合循环本构模型。通过模拟和预测超弹性NiTi形状记忆合金在不同加载率下的循环变形特性,验证了该模型的预测能力。进一步,采用该模型预测了超弹性NiTi形状记忆合金温度相关的循环变形特性。(2)在单晶代表性体积单元上,通过确定的晶体学位向关系引入多种非弹性变形机制,即马氏体相变、马氏体重定向、马氏体解孪、奥氏体塑性和马氏体塑性,基于热力学框架在单晶尺度下建立了热-力耦合本构模型。通过显式过渡准则和温度均匀性假设,将单晶模型过渡到了多晶。通过对多晶NiTi形状记忆合金在不同温度、不同加载率、不同应力水平下的单轴和非比例多轴热-力耦合变形特性的描述和预测,验证了模型的合理性和全面性。(3)通过总结已有的宏观-微观实验观察,提出了一种新的非弹性变形机制,即马氏体重定向诱发塑性。在工作(2)建立的晶体塑性模型基础上,进一步在单晶代表性体积单元上定量引入和NiTi形状记忆合金功能性劣化相关的非弹性变形机制,即相变诱发塑性、重定向诱发塑性和残余马氏体的累积,进而基于热力学框架在单晶尺度下建立了热-力耦合本构模型。通过显式过渡准则和温度均匀性假设,将单晶模型过渡到多晶。通过对多晶NiTi形状记忆合金在不同温度下的单轴、非比例多轴以及率相关循环变形行为进行了模拟和预测,验证了模型的预测能力。(4)在单晶代表性体积单元上,考虑马氏体相变和相变诱发塑性两种非弹性变形机制。将24个马氏体处理成形态相同、但晶体学位向不同的椭球形夹杂镶嵌在弹性各向异性的奥氏体基体中,并进一步采用Mori-Tanaka均匀化方法得到奥氏体和每个马氏体变体中的平均应力场。基于马氏体瞬间扩展假设,提出相变诱发塑性应变及位错密度的正向、逆向继承概念,在热力学框架下建立了单晶细观循环本构模型。通过对单晶各向异性循环变形特性的描述和预测,验证了模型的正确性。
王腾飞[10]2012年在《DD3镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳研究》文中认为镍基单晶合金具有良好的高温抗疲劳和蠕变性能，是制造航空涡轮发动机叶片的重要材料。航空发动机涡轮叶片工作在高温、高压和高转速的环境中，受到反复的疲劳载荷作用时，疲劳断裂是引起叶片失效的主要原因之一。因此进行镍基单晶合金在多轴载荷作用下的低周疲劳研究，建立合适的疲劳寿命预测模型，对航空发动机叶片的疲劳强度设计具有理论指导意义和应用价值。本文的主要研究工作如下：一、基于正交实验设计方法，在国内首次进行了[001]取向的DD3镍基单晶合金薄壁圆管试样在680℃和850℃温度下的拉/扭非比例循环加载低周疲劳试验，研究等效应变范围、应变路径角、拉/扭载荷相位角、循环特性和温度诸因素对镍基单晶合金多轴低周疲劳寿命的影响作用。二、结合镍基单晶合金微观结构特征，建立了γ/γ’两相单胞微观尺度力学模型，根据疲劳试验参数，分别对镍基单晶合金薄壁圆管宏观试样和γ/γ’两相单胞微观模型进行多轴非比例循环加载有限元数值模拟。结果表明：单胞模型基体的最大等效应力范围和最大等效应变范围出现在基体相尖角上；沉淀相的最大等效应变范围和最大等效应力范围出现在γ/γ’两相交接面圆角过渡处，且基于微观单胞模型有限元分析所得到的计算结果与试验值更接近。三、基于能量耗散理论，引入参量k表征多轴非比例加载对疲劳寿命的影响，构造循环塑性应变能作为损伤参量，建立镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型。参量k与循环寿命之间呈幂函数关系。分别利用宏观有限元模型和γ/γ’双相单胞微观有限元模型的计算结果，以及镍基单晶合金680℃和850℃低周疲劳试验数据，对疲劳寿命模型进行多元线性回归分析，结果表明微观单胞有限元模型的计算精度比宏观有限元模型显著提高。四、将菱形应变加载路径划分为比例加载段和非比例加载段，提出了表征非比例加载效应的等效应变参量，并引入表征拉/扭应变路径角对多轴疲劳寿命影响的单晶应力三轴性因子，构造疲劳损伤参量，建立的疲劳寿命回归模型与试验寿命具有很好的相关性，所有试验数据都落在2.0倍的偏差分布带之内。最后，对全文的主要工作和结论进行总结，并对今后工作提出展望。
参考文献：
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