車用鋁合金變形損傷和斷裂機理研究與材料表征及有限元模擬.pdf

1、汽車輕量化是節(jié)能、環(huán)保以及經濟發(fā)展的需求。鋁及其合金因其較小的密度、良好的塑性、以及較高的比強度已成為汽車車身輕量化設計中考慮采用的重要輕質材料。交通工具一個重要性能指標就是耐撞擊性。鋁合金汽車構件在撞擊的過程中，構件上的應力狀態(tài)及應變速率各點均不相同，而且在撞擊的過程中各點的應力狀態(tài)及應變速率還隨著時間變化而變化。用有限元分析方法模擬鋁合金碰撞是研究鋁合金構件耐撞擊性的重要方法，利用計算機模擬技術進行空間框架結構的變形、吸能和失效模式

2、的研究可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費用。但是這些有限元分析軟件在實際應用中仍存在許多問題，有時其模擬結果與試驗結果存在較大的差異。究其原因不是有限元軟件本身的問題，而是在有限元建模時缺乏準確的描述材料變形行為的本構關系以及描述材料失效和斷裂的損傷模型。本論文通過大量的實驗研究以及各種力學參數(shù)的測定，建立可以描述鋁合金材料在不同應力狀態(tài)及不同應變速率下變形的本構關系及其微觀結構損傷演化破壞規(guī)律，為正確的有限元模擬奠定基礎。圍繞上述問題本文從

3、以下幾個方面進行了研究。 考慮到擠壓材料的各向異性效應對模擬結果的精確性造成一定的影響，本文首先對擠壓6063鋁合金(T5)材料擠壓方向與拉伸方向成0°，45°，90°的材料力學性能進行了表征，同時為后續(xù)試驗中試樣的取樣方式提供必要的理論依據(jù)。 本文設計出蝶形試樣及Arcan夾具，通過蝶形試樣和．Arcan夾具進行不同角度的拉伸試驗研究了鋁合金在不同應力狀態(tài)下的損傷與斷裂行為。結果表明：在不同應力狀態(tài)下，鋁合金所表現(xiàn)出的

4、力學性能明顯不同：隨著三軸應力度的減小，載荷—位移曲線上峰值載荷逐漸減小，斷裂應變逐漸增大。隨著三軸應力度的減小，材料的損傷方式變化規(guī)律為微裂紋和微孔洞—微裂紋—局部剪切帶和微裂紋。隨著三軸應力度的減小，．韌窩斷裂機制減小，剪切斷裂機制增大。不同三軸應力度的試樣最終的宏觀斷裂方式可以用統(tǒng)一的拉伸斷裂判據(jù)進行描述。 通過不同應變率下的平板拉伸試驗，本文研究了鋁合金材料在不同應變率下的力學性能及變形斷裂行為。結果表明：鋁合金基本上是

5、應變率不敏感的材料。在中低應變率的范圍內，隨著應變率的增大，鋁合金的屈服強度略有增大，斷裂應變略有減小，斷裂強度和抗拉強度基本不變。在高應變率的范圍內，材料的應變率敏感性顯現(xiàn)出來：隨著應變率的增加，材料的屈服強度和抗拉強度均增大，斷裂應變也增大。當應變率到達一定的臨界值時，材料中出現(xiàn)了反向應變弱化效應。在不同應變率范圍內，試樣中損傷形式均是以微裂紋為主導的損傷，但是微裂紋產生的形式有所不同：在中低應變率下，相鄰晶粒的變形不協(xié)調造成微裂紋

6、在晶粒邊界首先產生，試樣中的微裂紋的長度較大；在高應變率下，由于快速剪切機制起主要作用，材料中基本都是沿著晶粒邊界產生的短裂紋。隨著應變率的增大，斷口上的韌窩越來越具有明顯的方向性。同時斷口上剪切平面所占的比例也越來越多，即隨著應變率的增加，材料的剪切斷裂機制的趨勢增加。不同應變率下的屈服強度和抗拉強度的應變率強化行為可以用修正的冪次強化模型來描述。 本文設計出可以產生接近純剪切應力狀態(tài)的拉伸剪切試樣。通過不同剪應變率下拉伸剪切

7、試驗，研究了鋁合金材料在不同剪應變率下的力學性能及變形斷裂行為。研究結果表明：在中低剪應變率下(γ：0.01～5.56s-1)，，剪應變率對鋁合金強度沒有多大影響，這進一步說明了鋁合金是率無關性材料。剪應變率對鋁合金影響最大是剪切斷裂應變。隨著剪應變率的增大，剪切斷裂應變按冪指數(shù)減小，不同剪應變率對拉伸剪切試樣的斷口形貌幾乎沒有影響。本文設計出可以產生不同應力狀態(tài)的原位拉伸試樣。通過不同應力狀態(tài)下的原位拉伸試驗，本文研究了鋁合金材料拉伸

8、斷裂的整個變形過程。研究結果表明：鋁合金材料的晶粒邊界是其最薄弱環(huán)節(jié)，大量的微裂紋均產生于晶界。原位拉伸試件形狀的不同，試樣最小截面上的三軸應力度分布不同(即正應力和剪應力分布不同)，所以裂紋產生和擴展的動力及方式也不同。0°原位拉伸試樣中的正應力較大，剪應力很小，所以裂紋的產生及擴展主要是在正應力作用下完成的：45°原位拉伸試樣中既有正應力也有剪應力，所以裂紋在剪應力作用下產生，而在正應力的作用下擴展；90°原位拉伸試樣中的剪應力很大

9、，而正應力很小，所以裂紋的產生及擴展是在剪應力作用下完成的。隨著試樣中三軸應力度的降低，試樣表面的滑移變形帶與加載方向的角度逐漸減小，斷裂方式從正斷向剪斷轉變，斷口形貌也變得越來越平整光滑。 在以上試驗研究的基礎上，本文用G-T-N損傷模型和Johnson-cook損傷模型系統(tǒng)地對鋁合金材料在不同應力狀態(tài)和不同應變率下?lián)p傷和斷裂行為進行有限元模擬。模擬結果表明：當三軸應力度介于0～1/3時，一般采用Johnson-cook損傷模

10、型進行模擬；當三軸應力度高于1/3時，用G-T-N損傷模型模擬基本上可以得到比較滿意的結果。同時，可以用G-T-N損傷模型模擬不同中低應變率的平板拉伸試驗。模擬結果顯示：在中低應變率的條件下，損傷參數(shù)中的臨界孔洞體積分數(shù)fc對網格尺寸和應變率不敏感；但在高應變率的條件下，損傷參數(shù)fc和fF對有限元模型的網格存在依賴性：當網格尺寸較大時，fc和fF的值較小。同時，在相同的網格尺寸下，通過不同應力狀態(tài)下G-T-N損傷參數(shù)擬合可以得出G-T-

11、N損傷模型中fc和fF隨著三軸應力度的變化關系式，為后續(xù)采用G-T-N損傷模型進行有限元模擬所需損傷參數(shù)提供依據(jù)。同時模擬還表明原始孔洞體積分數(shù)f0對臨界孔洞體積分數(shù)fc有著不同的影響：當f0非常小時(f0≤0.001)，三軸應力度對臨界孔洞體積分數(shù)沒有多大影響；當f0比較大時(f0>0.001)，三軸應力度對fc產生影響。為了驗證材料模型、損傷模型及材料表征方法的正確性，將G-T-N損傷模型和Johnson-cook損傷模型分別代入汽