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多晶模型差异对金属疲劳寿命预测的影响

多晶模型差异对金属疲劳寿命预测的影响

2018年全国固体力学学术会议

作者：张克实广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全实验室

现今被广泛应用的循环疲劳寿命分析和评估方法与公式,都是建立在大量疲劳实验总结的经验基础上的。典型的如描述应力与循环寿命关系的公式(Basquin,1910),描述塑性应变与循环寿命关系的公式(Mnson,1953;Coffin,1954),以及将这两者结合... 详细信息

现今被广泛应用的循环疲劳寿命分析和评估方法与公式,都是建立在大量疲劳实验总结的经验基础上的。典型的如描述应力与循环寿命关系的公式(Basquin,1910),描述塑性应变与循环寿命关系的公式(Mnson,1953;Coffin,1954),以及将这两者结合的公式(Morrow,1965),这些公式都依赖循环疲劳实验在控制应力或应变条件下测得的寿命数据,并由这些数据通过数值拟合得到公式参数。人们也一直尝试建立反映材质随循环演化导致材料疲劳破坏的分析模型,如采用积累塑性应变、耗散功或连续损伤参量来描述损伤过程。这些模型对疲劳损伤产生机制有不同的解释,但它们依然需要用系列疲劳实验来标定模型参数。Zhang等(2013,2015)建立的简化材料模型将金属看为多晶集合体,模型能反映出金属的细观不均匀变形,它主要源于晶粒的各向异性、随机取向及循环塑性变形导致主应变方向的改变。在此基础上提出了用应变统计标准差和最大主应变的统计均值作为疲劳指标参数来预测疲劳寿命的方法,该方法不需进行系列疲劳实验;只需有一个应变幅下的疲劳试验结果,就预测其它应变幅下材料的低周疲劳寿命。该方法能预测疲劳寿命意味着,模型所描述的细观不均匀变形随循环增长导致金属疲劳破坏,是金属低周疲劳的主要机制。对金属疲劳,人们已研究了170年,现有评估材料疲劳特性的方法完全建立在经验基础之上。能否只用一个应变幅的疲劳试验进行其它应变幅下的材料低周疲劳寿命预测,需从不同角度和方式进行检验:Zhang的方法能否对一般金属材料适用?所建模型中晶粒构形差异以及模型有限元单元的数目是否会对预测结果有影响?若有影响,影响程度是否可能否定方法的合理性?该影响能否消除?要对模型进行全面验证不是一两篇论文可以胜任的事。本文以400°C下的镍基高温合金GH4169的对称拉压应变疲劳循环为例,用Zhang等(2013,2015)提出的应变不均匀参数作疲劳指标参数,对多晶金属低周疲劳寿命的可预测性与合理性作进一步探讨。主要开展以下工作:(1)考虑材料非均质性造成的应变不均匀性,利用构形不同、单元划分不同、随机生成的多晶代表性单元进行分析,检验模型差异对预测结果的影响以及Zhang等所建议方法的有效性与合理性;(2)对方法预测疲劳寿命(周次)的范围进行分析,检验方法在10～10寿命范围内的预测能力,并探讨其延伸至接近10周次寿命预测的可能性。

关键词：晶体塑性多晶模型晶粒数与单元数循环模拟细观不均匀变形疲劳指标参数金属低周疲劳寿命预测

来源： cnki会议评论

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奥氏体不锈钢多晶切削建模及毛刺仿真分析

工具技术 2023年第10期57卷 69-75页

作者：文嘉鑫何林周滔田鹏飞周天贵州大学机械工程学院贵阳市550025

在金属切削中加工尺度较小时,材料的尺寸效应、材料强化对流动应力的影响及毛刺的存在会严重影响已加工表面质量及尺寸精度,甚至会导致工件报废。基于应变梯度理论,通过子程序嵌入到ABAQUS软件中,构建二维多晶切削模型来探究不同刀具结... 详细信息

在金属切削中加工尺度较小时,材料的尺寸效应、材料强化对流动应力的影响及毛刺的存在会严重影响已加工表面质量及尺寸精度,甚至会导致工件报废。基于应变梯度理论,通过子程序嵌入到ABAQUS软件中,构建二维多晶切削模型来探究不同刀具结构对毛刺形成的影响,并清楚观察到晶粒的塑性流动及变形过程。在对该模型的可行性进行验证后展开模拟分析发现,随着刀具前角的增大、切削刃钝圆半径的减小及倒角长度和倒角角度的减小,出口毛刺尺寸均会减小,而刀具后角的变化对毛刺尺寸影响极小,本研究为毛刺的控制及已加工表面质量的提高提供了新的思路。

关键词：多晶模型应变梯度晶粒塑性流动刀具结构出口毛刺

晶粒尺寸效应对铜极薄带轧制变形机制影响的模拟研究

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中国有色金属学报 2018年第11期28卷 2233-2241页

作者：陈守东卢日环孙建李杰张可铜陵学院机械工程学院铜陵244061 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室沈阳110819 安徽工业大学冶金工程学院马鞍山243032

采用退火态轧制铜箔为原料,进行晶粒尺寸效应的箔轧实验和晶体塑性有限元模拟。基于率相关晶体塑性理论,开发用户材料子程序(UMAT),建立轧制铜极薄带的晶体塑性有限元模型,改进Voronoi图种子生成的随机性,建立反映晶粒形貌、晶界不规则... 详细信息

采用退火态轧制铜箔为原料,进行晶粒尺寸效应的箔轧实验和晶体塑性有限元模拟。基于率相关晶体塑性理论,开发用户材料子程序(UMAT),建立轧制铜极薄带的晶体塑性有限元模型,改进Voronoi图种子生成的随机性,建立反映晶粒形貌、晶界不规则性的多晶极薄带几何模型,并编写赋予多晶取向的算法,用以控制多晶取向及织构分布,研究晶粒尺寸效应对其变形机制的影响。结果表明:在铜极薄带中尺寸较小晶粒中产生的剪切带相对于尺寸较大晶粒中产生的要均匀,可较好地减小变形局部化;不同晶粒尺寸铜极薄带的滑移系启动和累积滑移存在显著差异,启动的滑移系随晶粒尺寸的减小而增多;表层晶粒和内部晶粒的约束差异导致变形后晶粒取向主要绕横向(TD)进行旋转,旋转角度和极点分散度随晶粒平均尺寸的减小而减小。箔轧实验和模拟得到的轧制力-晶粒尺寸曲线基本一致,即晶粒取向对轧制力的影响随晶粒平均尺寸的减小而减弱。

关键词：极薄带轧制多晶模型晶体塑性有限元晶粒尺寸效应

高温动态拉伸下NG TiAl弹塑性行为的数值模拟

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中国科学技术大学学报 2013年第6期43卷 503-509页

作者：王东李子然昝祥中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室安徽合肥230027

基于率相关的晶体塑性理论,发展了更为合理的同时考虑位错滑移和形变孪晶作用、并计及温度影响的TiAl单晶本构模型.在此基础上,建立了能够反映晶粒随机取向的多晶有限元模型,对不同温度(室温～840℃)不同拉伸应变率(0.001～1 350/s)下NG... 详细信息

基于率相关的晶体塑性理论,发展了更为合理的同时考虑位错滑移和形变孪晶作用、并计及温度影响的TiAl单晶本构模型.在此基础上,建立了能够反映晶粒随机取向的多晶有限元模型,对不同温度(室温～840℃)不同拉伸应变率(0.001～1 350/s)下NG TiAl的弹塑性力学行为进行了模拟.结果显示,模拟得到的应力应变曲线与试验结果基本一致,能够比较好地模拟NG TiAl在不同温度和应变率下的材料响应.还考察了形变孪晶对塑性变形的影响,结果表明孪晶为NG TiAl重要的变形方式之一;动态条件下孪晶的体积分数增大,从而提高了NG TiAl的塑性变形;而温度对孪晶体积分数演化的影响不明显.

关键词： TiAl 形变孪晶动态拉伸多晶模型晶体塑性

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铁素体基颗粒增强材料的细观有限元模拟

铁素体基颗粒增强材料的细观有限元模拟

作者：杨先锋西南交通大学

学位级别：硕士

颗粒增强金属基复合材料兼有金属和陶瓷两者的优点,具有较高的强度和硬度、优异的阻尼性能和耐磨性能、良好的尺寸稳定性等,主要应用在航空航天、道路桥梁以及汽车工业等行业。其中,颗粒种类、分布等对复合材料力学性能有着重要影响,而... 详细信息

颗粒增强金属基复合材料兼有金属和陶瓷两者的优点,具有较高的强度和硬度、优异的阻尼性能和耐磨性能、良好的尺寸稳定性等,主要应用在航空航天、道路桥梁以及汽车工业等行业。其中,颗粒种类、分布等对复合材料力学性能有着重要影响,而采用有限元方法可以对复合材料进行结构设计,并预测其力学性能。但是目前研究主要采用代表性体积元(RVE)模型,即复合材料由单一的基体与硬质相颗粒机械混合而成,并未考虑更多微细特征。因此,本文在此基础上提出了一种颗粒增强复合材料的晶体塑性有限元模型,考虑了晶界、位错滑移、晶格类型等更多的细观特征,以使模拟过程更加符合实际。首先,本文基于RSA随机算法,建立了多颗粒随机分布模型,加载周期性边界条件,进行了单轴拉伸模拟。模拟和实验结果基本吻合,表明了模型具有一定的可靠性。然后对不同颗粒形状、体积分数、粒径和界面结合性能的颗粒增强铁基复合材料模型进行了单轴拉伸试验模拟,结果表明,颗粒体积分数为30%时,材料的复合力学性能较好;尖角处应变极大,影响了基体的载荷传递效果;小颗粒内部的平均应力更多,为主要的承载相,强化效果更加理想;强界面模型会形成沿着载荷方向的应变带,载荷传递效果更好,对于弱界面模型,高应变区域主要沿着位移载荷方向的45度或135度角方向.其次,基于Voronoi图算法和晶体塑性本构模型,建立了单晶及考虑晶界影响区的多晶模型。并将单晶和多晶模型拉伸模拟结果与文献数据进行了对比验证;研究发现,不同位置和取向的晶粒会影响剪切应变率的变化趋势,最终影响晶粒塑性变形量;发现颗粒只分布在晶界的情况下,随着体积分数和颗粒弹性模量的增加,复合材料综合力学性能增加。晶界颗粒减小了晶粒内部开裂概率,使晶界区域附近的高塑性应变区域减小。当颗粒只分布在晶粒内部的时候,基体高应力区域增加,材料强度显著提高。但是材料的变形机制发生了变化,由沿着解理面的穿晶断裂逐渐发展为沿晶断裂。该改进模型可以研究细观特征对多晶材料微区应力应变分布,预测多晶材料的失效形式。

关键词：颗粒增强有限元模型 RVE模型多晶模型晶体塑性

高温动态拉伸下NG TiAl弹塑性力学行为的数值模拟

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高温动态拉伸下NG TiAl弹塑性力学行为的数值模拟

作者：王东中国科学技术大学

学位级别：硕士

TiAl基金属间化合物的优良高温力学性能使其可能成为新一代航空航天工程用的轻质高温结构材料。考虑到航空航天器的服役环境,要求TiAl基金属间化合物具有一定的抗冲击能力。这就使得TiAl基金属间化合物的高温冲击力学行为的研究变得十... 详细信息

TiAl基金属间化合物的优良高温力学性能使其可能成为新一代航空航天工程用的轻质高温结构材料。考虑到航空航天器的服役环境,要求TiAl基金属间化合物具有一定的抗冲击能力。这就使得TiAl基金属间化合物的高温冲击力学行为的研究变得十分重要。由于TiAl的高温冲击试验技术仍存在很多困难,因此有必要发展适当的模型对TiAl的高温动态力学行为进行模拟,以数值计算替代部分的实验工作。本文基于率相关的晶体塑性理论,通过引入形变孪晶的饱和体积分数来对形变孪晶的演化给予限制,发展了更为合理的同时考虑位错滑移和形变孪晶作用,并计及温度影响的TiAl单晶本构模型。在此基础上,建立了能够反映晶粒随机取向的多晶有限元模型,对不同温度（室温40℃）不同拉伸应变率（10-3～1350s-1）下等轴（NG）组织TiAl的弹塑性力学行为进行了模拟。计算结果表明,模拟得到的应力应变曲线与试验结果吻合较好,这表明所采用的单晶本构模型能很好的反应材料的应变率强化效应、温度软化效应和应变硬化行为。此外还考察了NG TiAl在不同温度不同应变率下形变孪晶与位错滑移两种微观变形机制随塑性变形的演化情况。结果表明,二者均是NG TiAl的主要变形模式。动态加载条件下更有利于形变孪晶的产生,但温度对二者的影响不是很明显。在塑性变形的发展过程中,形变孪晶在塑性变形开始时起主导作用,随着塑性变形的进一步增大,位错滑移的贡献增加,最终两者达到平衡。

关键词： TiAl金属间化合物变形机制动态拉伸多晶模型晶体塑性

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电子陶瓷材料的几何建模与有限元分析

电子陶瓷材料的几何建模与有限元分析

作者：曹金波天津大学

学位级别：硕士

本论文在多晶材料的模拟计算方面进行了两点研究:1.对已有的RCP-LV多晶模型进行优化,使之能更好地表征实际材料的几何结构;2.对用于计算等效介电常数的LV-FEM模型进行结构与功能等多方面的改进。RCP-LV模型与其他模型相比在多面体(晶粒... 详细信息

本论文在多晶材料的模拟计算方面进行了两点研究:1.对已有的RCP-LV多晶模型进行优化,使之能更好地表征实际材料的几何结构;2.对用于计算等效介电常数的LV-FEM模型进行结构与功能等多方面的改进。RCP-LV模型与其他模型相比在多面体(晶粒)体积分布上实现了可变性,但是RCP-LV模型中用以表征晶粒的多面体(多边形)在外形上过于规则,与实际材料有一定差别。因此我们构思了对母体RCP实施扰动的方法来增加多面体(多边形)的非球性,并成功地完成了相应模拟程序。计算机模拟实验的结果表明经扰动后生成的RCP-LV模型,不仅继承了RCP-LV模型可变性的优点,同时在各项主要几何特征参数上都更接近于实际材料。这样,我们就可以发生预先指定体积参数的各项几何参量与实际材料高度吻合的几何模型。在计算材料等效介电常数的有限元模型LV-FEM的改进方面,首先本文应用面向对象的思想对原LV-FEM模型的程序进行了重构,实现了程序的模块化,增加了模型的可扩展性与软件生命周期;同时修正了原LV-FEM中的一些不合理因素,提高了模型的计算效率;并且在功能上增加了场分析的模块,使得模型不仅可用于求解等效介电常数,还可以对材料的微观几何结构与行为进行分析。最后文中还对本课题组在电子陶瓷材料模拟计算方面的继续深入研究提出了自己的建议。

关键词：多晶模型 RCP-LV LV-FEM 模拟复合材料介电性能有限元法

铝合金焊接接头细观模型及腐蚀后应力变化的数值模拟

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铝合金焊接接头细观模型及腐蚀后应力变化的数值模拟

作者：丛述玲大连交通大学

学位级别：硕士

A7N01和5083铝合金配用ER5356焊丝的焊接接头以其良好的成型性、焊接性成为车体制造中的关键材料。而在腐蚀环境下,铝合金焊接构件往往出现腐蚀坑,成为裂纹与失效的源头,严重影响着接头的寿命与安全可靠性。材料的宏观力学性能与其细观... 详细信息

A7N01和5083铝合金配用ER5356焊丝的焊接接头以其良好的成型性、焊接性成为车体制造中的关键材料。而在腐蚀环境下,铝合金焊接构件往往出现腐蚀坑,成为裂纹与失效的源头,严重影响着接头的寿命与安全可靠性。材料的宏观力学性能与其细观力学行为密切相关,因此对铝合金焊接接头在细观尺度上进行应力分析,研究其在细观上的形变与应力分布特点,对于制定焊接工艺,优化结构设计都非常必要。本文首先基于Voronoi算法对铝合金焊接接头进行了细观组织建模,构建了三维母材等轴晶区、熔合线柱状晶区、焊缝等轴晶区多晶模型,选取模型大小0.8mm×0.6mm×0.18mm进行晶体塑性有限元计算。结合EBSD实验测得焊接接头初始晶粒取向,运用晶体塑性理论,编写了用户自定义材料子程序,对母材5083、A7N01铝合金,焊材5356铝合金焊接接头细观形变机制及应力分布进行了数值模拟研究。另外,对A7N01母材5356焊材的铝合金焊接接头进行盐雾腐蚀试验,观察随着腐蚀时间的延长,蚀坑的物理形貌变化。采用单元生死技术模拟试件表面存在腐蚀坑时的细观应力分布情况,分析对比了焊态下及经腐蚀后的焊接接头细观应力分布特点及变化规律。结果表明:在拉伸5083母材5356焊材和A7N01母材5356焊材铝合金焊接接头时,最大细观应力均出现在柱状晶区、等轴晶结合区域,在柱状晶与等轴晶的交界处产生了应力突变。试件经盐雾腐蚀,随着腐蚀时间的延长,接头的各区域内腐蚀的平均深度和表面损伤度都增加,与未有腐蚀的接头细观应力比较,其应力分布不均匀程度变大,腐蚀坑外形逐渐趋近于圆形,蚀坑边缘出现应力集中现象。最大主应力增大系数变大,产生明显的峰值,蚀坑容易成为裂纹起裂的源头。通过与拉伸实验比较,模拟计算的结果与实验的结果保持着很好的一致性。

关键词：铝合金焊接接头腐蚀多晶模型晶体塑性有限元细观应力

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异型坯结晶器振动对凝固行为的影响

异型坯结晶器振动对凝固行为的影响

作者：和保民华北理工大学

学位级别：硕士

异型坯因其特有的断面形状及减少成本等优点而越来越成为国内外重点关注对象。异型坯表面有许多质量缺陷,比如表面裂纹和不规则振痕、气孔等。结晶器在连铸过程中的作用至关重要,有连铸机―心脏‖之称。结晶器的振动方式的不同关系到铸... 详细信息

异型坯因其特有的断面形状及减少成本等优点而越来越成为国内外重点关注对象。异型坯表面有许多质量缺陷,比如表面裂纹和不规则振痕、气孔等。结晶器在连铸过程中的作用至关重要,有连铸机―心脏‖之称。结晶器的振动方式的不同关系到铸坯脱膜是否顺利,较少拉漏等事故。实践证明,采用非正弦振动方式比正弦振动及其他方式可以提高产量、减少漏钢事故。文中研究了不同的结晶器振动参数对摩擦力的影响。结晶器与铸坯间的润滑效果的好坏对异型坯表面质量有着直接的关系。因此,文中利用ANSYS有限元分析软件及VB软件对摩擦力进行了相关的计算与分析,列出了影响振动结晶器与异型连铸坯间的摩擦力的因素。文中还对有缺陷的异型坯进行切样、制样和磨样,然后在莱卡金相显微镜下观察了微观状态下裂纹的扩展方向为穿晶。为了验证这一实验结果,使用MATLAB软件建立了多晶模型,ABAQUS软件建立了裂纹模型,模拟了裂纹在摩擦力等载荷下的扩展方向确实为穿晶。并观察了裂纹在不同时刻的扩展量及扩展方向。研究证明,加入摩擦力会加速裂纹的扩展,而且横向裂纹与纵向裂纹的扩展方向不一致。图54幅;表4个;参61篇。

关键词：异型坯摩擦力振动方式裂纹多晶模型