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絕熱剪切帶的形成機理及數值模擬研究進展

文章來源:科技信息中心編輯室   時間:2018-12-24 14:39:00 訪問數:

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絕熱剪切帶是韌性金屬材料在高應變率下最重要的變形和失效機制之一,其廣泛存在于彈丸著靶、侵徹、爆炸破碎和機械加工等各類動態問題中。絕熱剪切帶的出現常常是斷裂的先兆,一旦發生,將出現低韌性和低延性斷裂,甚至發生突發性的斷裂事故。在大量的動態問題中,常常會出現多條絕熱剪切帶,如武器物理研究中非常關心的金屬殼體高應變率膨脹斷裂和內聚壓縮失穩問題,如圖1所示。

絕熱剪切帶的形成機理及數值模擬研究進展

本研究以金屬柱殼壓縮剪切失穩過程為依托,開展了多條絕熱剪切帶形成演化的理論模型與數值模擬研究工作。從絕熱剪切帶的誘發機制和剪切帶內微結構的演化過程出發,分別提出了概率型的本構關系模型和基于動態重結晶的絕熱剪切帶形成準則。以此為基礎,在二維有限元數值模擬框架下,研究了多條絕熱剪切帶的相互作用機理、絕熱剪切帶間距的應變率依賴關系等問題。

1  多條絕熱剪切帶形成演化的理論模型

隨著塑性變形的增加,材料內部溫度逐步上升,當溫升等軟化效果超過應變和應變率等硬化效果,材料屈服強度開始下降,變形失穩,從而形成絕熱剪切帶,因此絕熱剪切帶的形成本質上是一個失穩問題,擾動在其中扮演著極其關鍵的作用。而韌性金屬中存在大量的缺陷,如位錯、晶界、二相粒子、微孔洞等。這些缺陷導致材料內部的屈服應力呈非均勻分布,這些非均勻性正是絕熱剪切帶形成的天然擾動源。我們提出使用概率型的本構關系來描述材料的微細觀不均勻性,通過概率因子搭建材料微細觀不均勻性與宏觀斷裂的橋梁。

絕熱剪切帶的形成機理及數值模擬研究進展

絕熱剪切帶的形成經歷了穩定塑性流動、擾動長大和類流體三階段,如圖2所示。但現有的本構模型大多無法完整描述該三階段(JC模型、Medyanik模型),或模型中的參數物理意義不明確(Damage模型),而越來越多的實驗研究發現,動態重結晶是絕熱剪切帶內的主要變形機制。基于此,我們提出在動態重結晶溫度以下,材料本構使用改進型的J-C本構(使用動態重結晶溫度代替熔點),在動態重結晶溫度以上,使用牛頓流體模型,如圖2所示。改進后的模型各參數物理意義明確,而且更好地描述了絕熱剪切帶的形成過程,尤其是剪切帶發展過程的第二階段。

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2  多條絕熱剪切帶的相互作用機制

使用二維自編有限元程序數值模擬了厚壁圓筒的內聚壓縮過程,結果見圖3~4。研究發現:不添加概率擾動時,無絕熱剪切帶的出現;使用概率型本構后,數值模擬再現了多條絕熱剪切帶的起始與傳播過程,但絕熱剪切帶的傳播路徑沿45°135°兩個方將均有;在柱殼內表添加了傾向性擾動描述加工層內晶粒沿車刀方向的損傷旋轉特性后,數值模擬成功再現了多條絕熱剪切帶單旋性特征。

數值模擬還觀察到了實驗中經常出現絕熱剪切帶的分叉、交叉、阻擋現象,基于數值模擬結果,分析了這些觀察產生的機理。

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3  絕熱剪切帶間距的應變率依賴性

數值模擬研究了絕熱剪切帶間距L與加載應變率è的關系。數值模擬結果表明Lè-0.61,與理論預測的Lè-0.75吻合度較高。不同加載應變率下絕熱剪切帶的形貌如圖5所示。

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