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绝热剪切带的形成机理及数值模拟研究进展

文章来源:甘肃快三信息中心编辑室   时间:2018-12-24 14:39:00 访问数:

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绝热剪切带是韧性金属材料在高应变率下最重要的变形和失效机制之一,其广泛存在于弹丸着靶、侵彻、爆炸破碎和机械加工等各类动态问题中。绝热剪切带的出现常常是断裂的先兆,一旦发生,将出现低韧性和低延性断裂,甚至发生突发性的断裂事故。在大量的动态问题中,常常会出现多条绝热剪切带,如武器物理研究中非常关心的金属壳体高应变率膨胀断裂和内聚压缩失稳问题,如图1所示。

绝热剪切带的形成机理及数值模拟研究进展

本研究以金属柱壳压缩剪切失稳过程为依托,开展了多条绝热剪切带形成演化的理论模型与数值模拟研究工作。从绝热剪切带的诱发机制和剪切带内微结构的演化过程出发,分别提出了概率型的本构关系模型和基于动态重结晶的绝热剪切带形成准则。以此为基础,在二维有限元数值模拟框架下,研究了多条绝热剪切带的相互作用机理、绝热剪切带间距的应变率依赖关系等问题。

1  多条绝热剪切带形成演化的理论模型

随着塑性变形的增加,材料内部温度逐步上升,当温升等软化效果超过应变和应变率等硬化效果,材料屈服强度开始下降,变形失稳,从而形成绝热剪切带,因此绝热剪切带的形成本质上是一个失稳问题,扰动在其中扮演着极其关键的作用。而韧性金属中存在大量的缺陷,如位错、晶界、二相粒子、微孔洞等。这些缺陷导致材料内部的屈服应力呈非均匀分布,这些非均匀性正是绝热剪切带形成的天然扰动源。我们提出使用概率型的本构关系来描述材料的微细观不均匀性,通过概率因子搭建材料微细观不均匀性与宏观断裂的桥梁。

绝热剪切带的形成机理及数值模拟研究进展

绝热剪切带的形成经历了稳定塑性流动、扰动长大和类流体三阶段,如图2所示。但现有的本构模型大多无法完整描述该三阶段(JC模型、Medyanik模型),或模型中的参数物理意义不明确(Damage模型),而越来越多的实验研究发现,动态重结晶是绝热剪切带内的主要变形机制。基于此,我们提出在动态重结晶温度以下,材料本构使用改进型的J-C本构(使用动态重结晶温度代替熔点),在动态重结晶温度以上,使用牛顿流体模型,如图2所示。改进后的模型各参数物理意义明确,而且更好地描述了绝热剪切带的形成过程,尤其是剪切带发展过程的第二阶段。

绝热剪切带的形成机理及数值模拟研究进展

2  多条绝热剪切带的相互作用机制

使用二维自编有限元程序数值模拟了厚壁圆筒的内聚压缩过程,结果见图3~4。研究发现:不添加概率扰动时,无绝热剪切带的出现;使用概率型本构后,数值模拟再现了多条绝热剪切带的起始与传播过程,但绝热剪切带的传播路径沿45°135°两个方将均有;在柱壳内表添加了倾向性扰动描述加工层内晶粒沿车刀方向的损伤旋转特性后,数值模拟成功再现了多条绝热剪切带单旋性特征。

数值模拟还观察到了实验中经常出现绝热剪切带的分叉、交叉、阻挡现象,基于数值模拟结果,分析了这些观察产生的机理。

绝热剪切带的形成机理及数值模拟研究进展

3  绝热剪切带间距的应变率依赖性

数值模拟研究了绝热剪切带间距L与加载应变率è的关系。数值模拟结果表明Lè-0.61,与理论预测的Lè-0.75吻合度较高。不同加载应变率下绝热剪切带的形貌如图5所示。

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