有限变形下三维多晶体弹塑性微观结构金属材料的有限元模拟及分析

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金属薄板成型(SBMF:sheet-bulk metal forming)在制造业中的用途很广泛,其材质多属于多晶体材料。在实际冲压成型过程中,材料表面变形的不均匀导致了薄板表面的缺陷,从而造成产品的废品率增高。这些不均匀变形主要源于多晶体内部晶粒的变形不均匀,因此多晶材料内部的织构演变是多晶体材料研究的重点。本文研究的对象是体心(bcc:body-centred cubic)铁素体钢DC04,将有限元方法和晶体塑性变形理论结合后,模拟了材料在冷轧过程中二维及三维晶体织构演化所导致的材料宏观力学性质的变化,研究了多晶体金属织构演变和材料塑性变形之间的关系。本文主要内容如下:  (1)回顾了晶体塑性理论、有限元方法、多晶体取向定义方法和微观结构织构演变的表征参数如极图和Schmid因子等内容,提出了晶粒取向随机因子参考值和Schmid因子相对发生比率的微观结构表征方法,为后续研究内容奠定了理论基础。  (2)本文提出了一种新的构建多晶体微观结构几何模型的方法。  方法的具体过程为:  (a)在三维空间内,利用MATLAB控制Voronoi种子点空间位置的计算方法实现对晶粒几何平均尺寸量级的控制、晶粒等轴比率等;  (b)将MATLAB和ANSYS结合通过混合编程的方法实现Voronoi晶粒的几何建模。在此基础提出晶粒等轴比率计算方法用于描述晶粒外形与正六面体的接近程度;在ABAQUS/CAE中构建了各向同性的材料属性并进行了力学验证;将本文方法与已有的inp文件建模法所构建的多晶体几何模型进行了对比,本文方法则克服了inp文件建模局限,且只需对所建几何模型进行简单程序修改就可拓展用于构建基于内聚力层的多晶体微观结构几何模型。  (3)利用本文所提建模方法构建了二维和三维的多晶微观结构几何模型,在不同情况下进行了力学模拟。首先在ABAQUS/CAE中完成umat用户材料本构方程程序的修改,采用Peirce和Asaro硬化模型,通过解析法确定了DC04钢材料的参数,之后构建了单晶模型进行模拟,并将模拟结果同已有文献提供的拉伸实验结果作比对,结果较为吻合;进一步得到了:晶粒取向的随机性和织构上滑移面的选取与多晶体力学性能有密切关系;晶粒的几何平均尺寸越小,多晶体力学性能越好、晶粒变形更加协调、Schmid因子相对发生比率的数值波动减小且位于晶界处由于位错塞积引发应力集中的应力值也明显减小;多晶体的取向随机因子参考值越接近1,多晶体力学强度越高应力区间越宽。
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