课题基金 / 基金详情

镁合金塑性变形及延性损伤断裂的多尺度建模及应用

批准号:
52075288
项目类别:
面上项目
资助金额:
61.0 万元
负责人:
方刚
依托单位:
学科分类:
成形制造
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
方刚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
由于镁具有特殊的HCP晶格结构,在复杂加载条件下镁合金塑性变形和延性断裂的准确预测还存在困难。本项目拟针对该问题开展多尺度建模研究,包括微观变形和断裂、细观晶体塑性、宏观上的镁合金成形和断裂等三个方面。首先,通过基于SEM-EBSD-DIC的原位变形实验,观察和测量镁合金晶体的变形和延性断裂演变,探究其微观机制。其次,从细观尺度上开展镁合金晶体塑性有限元分析,考虑孪晶在塑性本构中的作用和晶粒间相互滑动,建立合理的晶体塑性本构模型,预测材料各种变形条件下的屈服行为,为建立和完善宏观非关联本构模型提供可靠数据。接着,在宏观本构模型中综合考虑材料拉压非对称屈服、畸变硬化、各向异性和非关联流动等复杂塑性行为,准确预测复杂加载条件下镁合金塑性变形;通过材料变形和断裂实验,建立合理的延性损伤断裂准则。最后,利用所建立的材料本构模型和断裂准则,预测稀土镁合金板料成形和管材弯曲,优化制坯、模具和工艺。
英文摘要
Magnesium has a special hexagonal close-packed (HCP) lattice structure. The prediction accuracy of plastic deformation and ductile fracture of magnesium alloys under complex loading conditions needs to be improved. The present project is aimed to carry out multi-scale modeling research on this issue, including an exploration of microscopic mechanism of plastic deformation and fracture, mesoscale analysis of crystal plastic deformation, macroscopic forming and fracture prediction of magnesium alloy. First, through in-situ deformation experiments based on SEM-EBSD-DIC, the plastic deformation and ductile fracture evolution of magnesium alloy crystals are observed and measured, and the microscopic deformation and fracture mechanism are explored. Secondly, the finite element analysis of magnesium alloy crystal plasticity is carried out. Considering the role of twins in plastic constitutive and mutual sliding between grains, a reasonable crystal plastic constitutive model is established to predict the material under various deformation conditions. These simulations provide reliable data for establishing and perfecting macroscopic non-associated constitutive models. Then, the complex plastic behaviors such as tensile and compression asymmetric yielding, distortion hardening, anisotropy and non-associated flow are comprehensively considered in the macro constitutive model to accurately predict the plastic deformation of the magnesium alloy under complex loading conditions. A reasonable ductile damage fracture criterion is established through material deformation and fracture experiments. Finally, the established material constitutive model and fracture criterion are used to predict sheet forming and tube bending of the rare earth magnesium alloys, and optimize the blank making, die and process.
镁具有属于特殊的晶格结构,在室温变形下可启动的滑移系较少,需要启动具有取向性的孪晶变形机制,因此,由此带来的强烈各向异性和拉压不对称性给镁合金的准确构建本构模型提出了更高要求。面临上述挑战,本项目开展了镁合金多尺度塑性变形和延性断裂本构建模研究,包括原位变形实验分析、晶体塑性有限元模拟、宏观变形缺陷预测、热变形动态析出的分析等。论文取得研究成果:. (1)基于原位SEM-EBSD技术,系统研究了晶粒尺寸对镁合金拉伸过程中塑性变形及断裂行为的影响。研究发现,细晶试样在变形过程中几乎没有孪晶存在,裂纹通常在晶界处形核并沿晶界扩展。在中等晶和粗晶试样中,拉伸孪晶数量更多,协调附近晶粒变形的能力增强,从而降低了裂纹在晶界处形核的可能。当拉伸孪晶过度协调变形时,会出现明显的变形集中,导致裂纹沿拉伸孪晶扩展。压缩孪晶在变形过程中发挥着塑性松弛和提高变形相容性的作用,与裂纹形核无关。. (2)构建了考虑晶界作用的晶体塑性有限元模型,引入取向差角作为晶界重要参数,提高了模拟精度。为提高晶体塑性模拟的精度,建立晶界模型并将取向差角对硬化的作用纳入到广义Voce硬化模型中,以实现对变形行为的准确描述。结果表明,考虑取向差角作用时,模型可以预测出明显的Hall-Petch效应。拉伸孪晶体积分数随晶粒尺寸的变化规律,与初始织构有关。强基面织构时,变形过程中几乎无孪晶形成,不受晶粒尺寸影响。弱基面织构时,随着晶粒尺寸增加,拉伸孪晶体积分数增加。. (3)开发了全面考虑镁合金各向异性、拉压不对称性以及畸变强化的复杂塑性行为的数值模型,为准确预测镁合金塑性和断裂行为奠定了基础。通过实验与数值相结合的方法确定了各种应力状态下试样的断裂应变和对应的应变路径。通过试样表面裂纹和SEM断口分析,对镁合金断裂应变的应力依赖性给出了合理解释。应用所开发的模型,对镁合金挤压管弯曲缺陷的准确预测。构建了双分量DF2014延性断裂模型,实现了对镁合金延性断裂非寻常应力依赖性的准确描述。. (4)建立了多级元胞自动机(CA)模型,准确预测了镁合金热变形过程中的动态再结晶(DRX)和动态析出(DP)行为。提出了一种新的局部钉扎模型,准确描述动态析出相对动态再结晶晶粒长大的阻碍作用。通过实验验证了镁合金动态再结晶模拟中考虑DRX和DP之间相互作用的必要性。
镁合金挤压焊合机理研究及空心型材挤压的微观组织控制
  • 批准号:
    51675300
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    方刚
  • 依托单位:
基于DIC方法的韧性断裂实验分析及金属塑性成形断裂研究
  • 批准号:
    51375256
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    85.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    方刚
  • 依托单位:
医用镁合金微细管精密成形机理及工艺控制研究
  • 批准号:
    51075230
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    45.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    方刚
  • 依托单位:
基于微观组织控制的高强度铝合金型材高效挤压成形机理研究
  • 批准号:
    50775123
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    35.0万元
  • 批准年份:
    2007
  • 负责人:
    方刚
  • 依托单位:
国内基金
海外基金