金属拉伸不均匀塑性变形行为的定量分析

作     者：牛晓玲 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：管志平

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：塑性成形 不均匀度 拉伸 颈缩 有限元分析 光学测量 

摘      要：金属塑性成形一般都属于不均匀流动变形。这是由于边界条件、坯料形状和摩擦等因素引起的坯料各部分应力分布不均匀,从而导致应变分布不均匀引起材料流动不均匀。这种情况的不均匀塑性变形可以通过以材料内部均匀为假定的连续介质力学进行求解。然而,材料本身不是理想均匀连续的,存在晶粒分布不均、空洞、组织偏析、冶金缺陷等,因此材料呈现力学性能不均匀,另外坯料加工表面不可避免地具有几何尺寸不均匀。在塑性不稳定流动阶段,由于力学性能不均匀和几何尺寸不均匀的必然存在,材料变形在最薄弱环节优先发展,由此坯料内部的真实流动和自由边界的实际发展,与传统连续介质力学所预测的金属塑性不均匀流动是存在差异的。随着以轻量化、绿色制造和近净成形为目标导向的现代塑性精密成形技术的发展,需要对金属真实塑性流动行为能够准确清晰地描述。但是,力学性能不均匀和几何尺寸不均匀难以通过现有手段精确表征,而且在塑性流动过程中也是不断发展变化的,其对塑性不均匀流动的影响是无法通过以连续介质力学为基础的现有理论工具给出合理解释的。基于此,本文力图提出考虑力学性能不均匀和几何尺寸不均匀因素的金属真实塑性不均匀流动行为的定量分析方法,即尝试利用载荷行程曲线来判断金属塑性不均匀变形程度。为分析便捷,本文以最简单的受力情况——金属棒试样的单向拉伸颈缩过程为研究对象,首先从力学状态方程出发建立金属不均匀变形程度与试验变量(载荷、伸长量)一一对应的力学关系,从而奠定本文研究的理论基础。在此基础上,分别提出有限元反推和力学求解法两种分析手段,均以金属棒试样真实拉伸载荷曲线为判断依据,给出金属单向拉伸颈缩后真实不均匀塑性变形的定量结果。最后,通过金属棒试样单向拉伸的动态光学测量,对定量分析结果予以验证。主要研究成果如下:(1)为定量描述试样颈缩不均匀塑性变形程度,分别从试样整体变形和局部最小细径出发,定义两种不均匀度的表征方法。(2)在金属材料性能、试样规格尺寸、试验条件和边界条件等固定的前提下,金属单向拉伸颈缩后塑性不均匀程度与试验变量(载荷、伸长量)存在一一对应的力学关系,即拉伸载荷曲线上任意一点均与金属试样唯一的不均匀塑性变形几何形态相对应,由此可以通过金属拉伸变形过程中载荷伸长量曲线来判断塑性不均匀程度。(3)通过扭转试验获取金属在大应变范围内的硬化曲线,作为后续有限元模拟和力学分析的材料模型输入。(4)提出单向拉伸不均匀塑性变形的有限元反推定量分析方法,即设置不同尺寸的初始缺陷,应用有限元软件模拟金属棒试样单向拉伸,获取不同的拉伸载荷曲线以及相对应的塑性变形不均匀度的模拟样本,然后与真实试样拉伸载荷曲线进行比对,确定相应的塑性变形不均匀度。(5)提出单向拉伸不均匀塑性变形的力学求解定量分析方法,即始终以试样中间待变形比例(待变形长度占最小截面平行段长度的比例)作为未知量,基于硬化方程、力平衡和几何位移关系进行力学求解,通过不断迭代逼近于真实拉伸载荷曲线,最终确定拉伸过程中的塑性变形不均匀度。(6)基于金属试样拉伸过程动态光学测量结果计算的试样塑性不均匀度,与有限元反推和力学迭代分析求得的塑性不均匀度虽在数值上存在一定偏差,但是变化趋势基本一致,由此可验证本文所提出的塑性不均匀变形定量分析方法的正确性。