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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2013年第11期23卷 3362-3371页

作者：章海明董湘怀王倩李河宗上海交通大学模具CAD国家工程研究中心上海200030 河北工程大学机电工程学院邯郸056038

A non-local dislocation density based crystal plasticity model, which takes account of the microstrncture inhomogeneity, was used to investigate the micro-bending of metallic crystalline foils. In this model, both statistically stored dislocations （SSDs） and geometrically necessary dislocations （GNDs） are taken as the internal state variables. The strain gradient hardening in micro-bending of single-grained metal foils was predicted by evolution of GNDs. The predicted results were compared with the micro-hardness distribution of the previous micro-bending experiments of CuZn37 a-brass foils with coarse grains and fine grains. Comparison of the simulated dislocation densities distribution of SSDs and GNDs with the experimental results shows that different micro-hardness distribution patterns of the coarse and fine grain foils can be attributed to the corresponding SSDs and GNDs distributions. The present model provides a physical insight into the deformation mechanism and dislocation densities evolution of the micro-bending process.

关键词： crystal plasticity micro-bending statistically stored dislocations geometrically necessary dislocations

等轴晶AZ80镁合金的全场晶体塑性模拟研究

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材料导报 2024年第9期38卷 237-242页

作者：胡鸿彪徐帅章海明金朝阳扬州大学机械工程学院江苏扬州225100 上海交通大学材料科学与工程学院上海200030

对铸态AZ80镁合金进行405℃,24 h的固溶处理、等径角挤压(Equal channel angular pressing,ECAP)实验,并使用全场晶体塑性模拟(Full-field crystal plasticity simulation)探究试样在拉伸变形过程中的微观演化。晶体塑性模拟可以更加便... 详细信息

对铸态AZ80镁合金进行405℃,24 h的固溶处理、等径角挤压(Equal channel angular pressing,ECAP)实验,并使用全场晶体塑性模拟(Full-field crystal plasticity simulation)探究试样在拉伸变形过程中的微观演化。晶体塑性模拟可以更加便捷地获得相对准确的微观变形机制、孪晶演变等更加全面的现场数据,以此总结出不同物理量的规律,这些优势在实验表征过程中是较难实现的,且在追踪试样变形过程中起到重要作用。研究发现,试样经ECAP之后会形成细晶均匀组织,屈服强度和抗拉强度分别达到215.1 MPa、381.5 MPa,延伸率为20.1%,显著高于铸态AZ80的性能(屈服强度为118.6 MPa,抗拉强度为162.68 MPa,延伸率为6.6%);同时通过模拟可以很好地预测不同应变量下镁合金微观组织和变形机制的演化规律,发现随着应变的增加,内部出现拉伸孪晶的晶粒中会发生Basinski效应,同时在硬取向区域形成剪切带;在变形过程中,基面滑移是主要变形机制,并在拉伸达到4%时其对变形的贡献有所下降,其下降部分主要由柱面滑移补偿。

关键词： AZ80 细晶等径角挤压全场晶体塑性模拟

原位TiB_(2)颗粒增强7075铝基复合材料在不同应力状态下的韧性断裂行为

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2023年第8期33卷 2272-2286页

作者：王涵章海明崔振山陈哲陈东上海交通大学材料科学与工程学院上海200240

采用力学试验、微观表征和数值模拟研究原位TiB_(2)颗粒增强7075铝基复合材料在不同应力状态下的断裂行为。设计4组拉伸试样、1组剪切试样和1组压缩试样,并对这6组试样进行力学实验。通过原位应变测试和有限元模拟研究6组试样在变形过... 详细信息

采用力学试验、微观表征和数值模拟研究原位TiB_(2)颗粒增强7075铝基复合材料在不同应力状态下的断裂行为。设计4组拉伸试样、1组剪切试样和1组压缩试样,并对这6组试样进行力学实验。通过原位应变测试和有限元模拟研究6组试样在变形过程中的应变分布。对6组试样的断口形貌进行表征,分析其在不同应力状态下的损伤演化机制。研究发现:该材料的主要断裂机制为界面脱粘和颗粒断裂,表现为高应力三轴度下的拉伸断裂和低应力三轴度下的剪切断裂。在拉伸断裂条件下,形核空洞的体积在最大主应力的作用下增大;在剪切断裂条件下,空洞的形状在最大剪应力作用下变化明显,而体积变化不明显。基于实验揭示的断裂机理,提出一种考虑最大主应力和最大剪应力的韧性断裂准则,该准则可以预测该复合材料在不同应力状态下的断裂曲面。与改进的Mohr−Coulomb、Lou−Yoon−Huh、Hu和Mu模型的对比分析表明,新模型能更准确地预测铝基复合材料的韧性断裂行为。

关键词：铝基复合材料韧性断裂准则界面脱粘颗粒断裂

Constitutive model for thin sheet metal with one or several grains across thickness in micro-forming

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2013年第5期23卷 1428-1434页

作者：王倩董湘怀章海明李河宗申昱上海交通大学模具CAD国家工程研究中心上海200030 河北工程大学机电工程学院邯郸056038

Effects of four factors on thin sheet metal flow stress were considered, including grain size d, thickness t, grain number across thickness （t/d ratio） and surface property. Surface model was adopted to quantitatively describe the effect of t/d ratio on flow stress for pure copper. It is predicted that when t/d ratio is larger than a critical value, effect of t/d ratio on flow stress can be neglected. Existence of critical t/d ratio changes the Hall-Petch relationship and evolution of flow stress with thickness. A criterion was proposed to determine critical t/d ratio. Then a comprehensive constitutive model was developed to consider all the four factors, with parameters determined by fitting experimental data of high purity Ni. The predicted results show the same tendencies with experiment results. Particularly when t/d ratio decreases, Hall-Petch relationship and evolution of true stress show varied slopes with two transition points.

关键词： constitutive model flow stress micro forming size effect

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微成形中尺寸效应研究的进展

中国科学：技术科学 2013年第2期43卷 115-130页

作者：董湘怀王倩章海明彭芳郭斌单德彬上海交通大学塑性成形技术与装备研究院上海200030 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室哈尔滨150001

微纳米尺度下微细工件塑性变形中会出现尺寸效应,即随着工件尺寸的减小材料的应力应变关系、塑性成形性能和摩擦系数等成形工艺参数呈现出与常规尺寸工件的塑性变形不同的特点,对于尺寸效应的研究是微成形工艺研究的基础.本文首先综述... 详细信息

微纳米尺度下微细工件塑性变形中会出现尺寸效应,即随着工件尺寸的减小材料的应力应变关系、塑性成形性能和摩擦系数等成形工艺参数呈现出与常规尺寸工件的塑性变形不同的特点,对于尺寸效应的研究是微成形工艺研究的基础.本文首先综述了实验观察到的各种尺寸效应现象,如随着晶粒尺寸的减小塑性变形机理发生变化,从而导致Hall-Petch关系的变化.然后,介绍了为描述材料应力应变关系中出现的尺寸效应而提出的各种材料模型,其中考虑表面层晶粒体积分数、工件尺寸与晶粒尺寸的比值、应变梯度等因素的影响对经典塑性塑性力学模型进行的修正可以从现象学的角度描述尺寸效应,而基于位错运动、统计存储和几何必须位错密度的演化、晶界滑动等塑性变形机理的的本构模型,不仅能更准确地描述尺寸效应等塑性变形行为,而且能更深入地揭示尺寸效应的物理本质.另外,对于尺寸因素与极限应变的关系和摩擦中呈现的尺寸效应研究也进行了介绍.

关键词：微成形本构模型尺寸效应数值模拟

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自行车案例教学在材料力学课程中的应用

高等工程教育研究 2021年第S01期69卷 68-70页

作者：韩先洪崔振山章海明沈耀田晓麟上海交通大学材料科学与工程学院

为促进学生对材料力学课程核心教学内容的融会贯通,本文介绍了一个以自行车为研究对象的案例教学。以课程设计形式,由学生完成一辆自行车的设计分析,将教学内容中的拉压、剪切、扭转、弯曲等基本变形模式融入其中,使理论公式与实际问题... 详细信息

为促进学生对材料力学课程核心教学内容的融会贯通,本文介绍了一个以自行车为研究对象的案例教学。以课程设计形式,由学生完成一辆自行车的设计分析,将教学内容中的拉压、剪切、扭转、弯曲等基本变形模式融入其中,使理论公式与实际问题紧密结合。以小组为单位合作撰写设计报告并进行答辩,锻炼了学生描述问题、解决问题和技术交流的能力。实践表明,该案例有效调动了学生的学习积极性,提升了学生对材料力学知识的综合应用能力,并培养了团队合作的精神。

关键词：材料力学自行车分析案例教学设计与答辩

非耦合韧性断裂准则及其在航空金属材料中的应用

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航空材料学报 2021年第2期41卷 16-31页

作者：马宏越肖纳敏钱鹏罗帅章海明上海交通大学塑性成形技术与装备研究院上海200030 中国航发北京航空材料研究院航空及发动机材料应用评价中心北京100095 上海科学技术交流中心上海200003

结构轻量化是航空航天和汽车领域的重要发展趋势,对以铝合金、镁合金和钛合金为代表的轻质高强金属材料的需求与日俱增。预测材料的损伤断裂行为是高性能航空构件成形工艺设计和服役性能评估的关键,而发展先进的韧性断裂准则是其主要途... 详细信息

结构轻量化是航空航天和汽车领域的重要发展趋势,对以铝合金、镁合金和钛合金为代表的轻质高强金属材料的需求与日俱增。预测材料的损伤断裂行为是高性能航空构件成形工艺设计和服役性能评估的关键,而发展先进的韧性断裂准则是其主要途径。本文首先介绍了金属材料损伤断裂的微观机制,包括剪切和压缩应力主导的剪切型断裂、拉应力主导的拉伸型断裂及复合型断裂。回顾了韧性断裂准则的研究现状,传统非耦合韧性断裂准则的发展历程、特点和适用场合,重点论述了近年来几种典型的非耦合韧性断裂准则的特点和优势。传统的非耦合韧性断裂准则通常只考虑最大主应力或平均应力对损伤断裂的影响,忽略了偏应力的作用,不适合于低应力三轴度或复杂应力状态下的断裂行为预测;而新的韧性断裂准则综合考虑应力三轴度和罗德角参数对损伤演化的共同影响,适用于复杂的应变路径和应力状态。最后,评述了非耦合韧性断裂准则在铝合金、镁合金和钛合金等航空金属材料中的发展现状和典型应用,展望了韧性断裂准则的发展趋势和研究方向。非耦合韧性断裂准则需针对先进结构金属材料的变形特点,综合考虑应力状态、应变速率、温度及各向异性等对损伤断裂的作用,使其具有更好的普适性和预测精度。

关键词：韧性断裂准则损伤断裂塑性成形航空金属材料

316LN混晶组织微区塑性变形全场晶体塑性模拟研究

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塑性工程学报 2018年第6期25卷 208-215页

作者：李子洋章海明刘娟崔振山上海交通大学塑性成形技术与装备研究院

采用全场晶体塑性模拟研究了不同取向粗晶对316LN不锈钢混晶组织微区不均匀塑性变形的影响。通过Monte-Carlo法模拟生成4种不同取向粗大晶粒的混晶组织代表体元模型,并对其施加单向拉伸的周期边界条件。定量分析了混晶组织在拉伸变形过... 详细信息

采用全场晶体塑性模拟研究了不同取向粗晶对316LN不锈钢混晶组织微区不均匀塑性变形的影响。通过Monte-Carlo法模拟生成4种不同取向粗大晶粒的混晶组织代表体元模型,并对其施加单向拉伸的周期边界条件。定量分析了混晶组织在拉伸变形过程中的应力和应变分布的宏微观特征。研究结果表明,所有的混晶组织在晶粒层面上均显示出明显的塑性变形不均匀性,并且粗晶内部的应力和应变均低于其周围细晶组织,硬取向粗晶周围的细晶组织承受更大塑性应变,且具有更高的应力,而软取向粗晶周围的细晶组织则承受相对较小的塑性变形,具有更低的应力。

关键词：混晶组织全场晶体塑性模拟 316LN不锈钢不均匀塑性变形

预变形对AZ80镁合金孪晶演化及力学性能的影响

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塑性工程学报 2021年第11期28卷 124-130页

作者：王阿蒙刘娟赵杰章海明崔振山上海交通大学塑性成形技术与装备研究院上海200030

针对热挤压态AZ80镁合金材料,进行了预变形量为1%、2%、4%和6%的室温压缩,再通过沿挤压方向的拉伸试验和变形前后的EBSD分析,研究了预变形对AZ80镁合金的微结构、变形机制以及力学性能的影响。由镁合金的孪生机制分析得出,在AZ80镁合金... 详细信息

针对热挤压态AZ80镁合金材料,进行了预变形量为1%、2%、4%和6%的室温压缩,再通过沿挤压方向的拉伸试验和变形前后的EBSD分析,研究了预变形对AZ80镁合金的微结构、变形机制以及力学性能的影响。由镁合金的孪生机制分析得出,在AZ80镁合金压缩过程中,除发现极少数{1011}压缩孪晶和{1012}-{1012}二次孪晶,主要以{1012}拉伸孪晶为主导,并观察到多种关系的孪晶变体和晶间孪晶对。统计结果表明,孪晶界数量随变形量的增大呈现先增后减的趋势,且变形量越大、孪晶比例越高,试样的伸长率越高。变形量为6%的试样经拉伸后,抗拉强度和伸长率分别提高至349.03 MPa和10.79%,较未预变形试样增加了7.23%和27.5%,具有较好的综合力学性能。

关键词：镁合金AZ80 预变形孪晶退孪生加工硬化力学性能

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先进高强钢扩孔失效机制实验与跨尺度模拟

塑性工程学报 2021年第11期28卷 109-114页

作者：罗帅马宏越钱鹏章海明崔振山上海交通大学材料科学与工程学院塑性成形技术与装备研究院上海200230 上海科学技术交流中心上海200003

通过扩孔实验及微观组织表征实验研究了低碳马氏体钢扩孔的变形及失效机制,并基于实验结果分析,构建了跨尺度模拟方法,探讨了变形路径及晶体取向对低碳马氏体钢扩孔的变形及失效机制的影响。实验结果表明,扩孔变形后宏观裂纹分布与板料... 详细信息

通过扩孔实验及微观组织表征实验研究了低碳马氏体钢扩孔的变形及失效机制,并基于实验结果分析,构建了跨尺度模拟方法,探讨了变形路径及晶体取向对低碳马氏体钢扩孔的变形及失效机制的影响。实验结果表明,扩孔变形后宏观裂纹分布与板料方向有关,微观孔洞的形核及生长与马氏体晶粒和夹杂物的形态及分布有关,断裂模式为微孔聚合型韧性断裂。变形导致的微孔形核点主要位于马氏体晶粒内、晶界间以及夹杂物周围,微孔生长方向为晶粒与夹杂物的长轴方向。模拟结果表明,晶体取向相同时,孔边缘外围最先发生断裂;变形路径相同时,晶体取向不同使得材料内部的应力及裂纹分布有所差异,与裂纹扩展方向平行的长轴晶粒更容易发生裂纹扩展。实验及模拟的一致性表明跨尺度建模方法可以有效地解释真实微观组织在复杂变形路径下的变形及损伤行为。

关键词：扩孔实验晶体塑性先进高强钢损伤断裂跨尺度建模

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