金属韧性断裂准则的实验研究(用拉伸,扭转的试验)

通过物理实验和数值计算联合确定。在以上实验中韧
性断裂阈值 C 通过物理实验和数值模拟对比研究的
结果如表 2 所示, 为进一步反映阈值 C 的变化, 采
用如下方法:
M=
1 n
n
Ci
i= 1
MD =
1 n Ci - M 2
n i= 1
M
DF =
Cmax - Cmin M
( 3)
第1期
虞 松等: 金属韧性断裂准则的实验研究
类对比研究。指出 N or malized Cockr oft & L atham 和 Br ozzo 断裂准则比较适用于高应力三轴度成形过程, 而 Ay ada 和 Rice T r acy 断裂准则更适用于较低 应力三轴度成形过程。 关键词: 韧性断裂准则; 金属塑性成形; 应力三轴度
DOI: 10 3969/ j issn 1000 3940 2010 01 033
3 结果与讨论
金属塑性体积成形专业软 件 Defor m 中提 供了 11 种形式的韧性断裂准则 ( 表 2) , 这些准则大都采 用应力变量沿塑性变形路径积分的形式, 如式 ( 2) 所示的形式:
f
f (x)d = C
( 2)
0
式中: f 是关于各种应力张量的权函数; x 为应力分
量; f 为断裂时等效应变; C 为韧性断裂阈值, 一般
8 mm 圆棒料, 全部实验过程在 M T S 材料实验机 上采用静态加载方式 ( 1~ 5 mm min- 1) 至试件断 裂为止。以上物理实验过程全部采用塑性成形专业
图 2 3 种拉伸试样 a) 拉伸前试样 ( b) 拉断后试样 Fig 2 T hree t en sile s pecim ens Bef ore drawin g ( b ) A f t er drawin g
M anagement, Shandong U r ban Construction V ocatio na l Colleg e, Ji nan 250014, China)
Abstract: Duct ile fr actur e criter ion is a key parameter in mater ial for ming limitatio n. A ccur acy predicting surface and internal failure in plastic defo rmation pro cess affect g reatly the techno log y design of wo rkpiece and die. T ension, co m pressio n, to rsio n and shearing test on 45 steel w ere utilized fo r prov iding the experimental values of the crit ical values at fracture, and 11 kinds of usually used ductile fracture cr iterions wer e selected to simulate t he physical ex per iments and their r elative accuracy for predicting and quantif ying fracture initiat ion sites was inv estigated. T he comparing r e sults show t hat metal fo rming pr ocess under high tr iax iality can be estimat ed successiv ely using both N ormalized Cock cr oft latham and the Bro zzo ductile fr actur e cr iter ia, but the A yada and general Rice T racey model w or k very well fo r the low triaxiality cases. Keywords: duct ile fr actur e criter ia; metal forming process; st ress t riax iality
1 23
式中: M 为各个韧性断裂准则阈值的平均值; MD 为各个韧性断裂准则阈值样本的变异系数; DF 为 各个韧性断裂准则阈值样本 的偏差; Cmax 和 Cmin 为 实验中韧性断裂最大和最小值。表 2 中: 拉伸 1 为 标准试件, 其拉断时断口平均直径为 8 3 m m, 拉伸
2 为切口R= 10 mm, 其拉断时断口平均直径为8 3 mm, 拉伸 3 为切口 R = 5 mm, 其拉断时断口平均直径为 8 6 mm; 扭转试样在标距内扭转 600 左右时发生断裂; 剪切试样为月牙形光亮带最大处, 约为 1 2 mm。
第 35 卷
d0 = 10 mm, 标距 l 0 = 5d0 = 50 m m, 实验在室温下
加载至试件断裂为止, 拉伸与扭转的加载速度分别
为: 5 mm min- 1 和 36 min- 1 。材料拉伸和扭转
大变形实验曲线如图 1 所示, 二者主要塑性指标如
表 1 所示。由于拉伸曲线数据中应力计算采用的是
0 606
0 563
0 602
06
0 6232
C ockcrof t & Lat ham
580
478
413
491
489
490 2
M c Clint ock
1 62
1 53
1 49
1 07
1 55
1 452
Fru dent hal
519
327
250
933
741
554
R ice & Tracy
1 Leabharlann Baidu2
1 43
摘要 : 韧性断 裂准则作为材料成形极限中的重要指标, 对于准确预 测金属内部 和表面韧 性破坏发生 的时间和位 置、 工艺制定和模具设计具有重要的意义。以 45 钢为材 料, 采用不同 形式的试件 进行了拉 伸、压缩、剪切、扭 转等实 验, 并利用金属塑性成形模拟专业软件对实验过程进行数值模拟, 对 工程中广 泛使用的 11 种韧 性断裂准 则进行分
收稿日期: 2009 08 25; 修订日期: 2009 12 24 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50875156) 作者简介: 虞 松 ( 1967- ) , 男, 博士, 副教授 电子信箱: yu song@ sdu edu cn
与材料性质、成形过程和应力应变状态等诸多复杂因 素有关[ 7- 8] , 因此针对具体实际成形过程正确的选用 准则和设定阈值并预测起裂的时间和位置并非易事。
1 材料大变形本构关系实验确定
由于热处理等条件的不同, 即使同一牌号的金 属材料其力学性能差异也很大, 为准确确定实验材 料在大变形过程中应力应变的本构关系, 首先进行 材料的拉伸和实心圆轴扭转实验: 45 钢原始坯料未 经热处 理, 试 件尺 寸均 采用国 家标 准制 作, 直 径
12 2
锻压 技术
表 1 45 钢主要塑性指标
Table 1 Mechanical properties of steel 45
塑性指标
扭转实验
拉伸实验
s/ MPa
436
410
b/ MPa
756
710
延伸率/ %
88
28
屈服流动区/ %
0
67
断口截面收缩率/ %
<2
52
2 韧性断裂实验和 FEM 数值模拟
除上述拉伸和扭转实验中将标准试件加载至断 裂外, 还进行了不同切口 R= 10 mm 和 R = 5 mm、 最小直径处均为 10 mm 的拉伸实验, 如图 2 所示。 目的是确定在不同应力三轴度 ( m / , m 为平均应 力或静水压 力, 为等 效应力) 下材料 断裂情 况; 为进一步研究金属材料在不同应力状态下的断裂情 形, 还进行了双面剪切实验, 实验采用试件为直径
第 35 卷 第 1 期 Vo l 35 No 1
FORGING & STAMPING TECHNOLOGY
2010 年 2 月 Feb. 2010
金属韧性断裂准则的实验研究
虞 松1 , 冯维明1 , 王 戎2
( 1 山东大学 土建与水利学院, 山东 济南 250061; 2 山东省城市建设职业学院 工程管理系, 山东 济南 250014)
数值模拟过程全部采用弹塑性材料模型, 弹性部分 本构关系采用拉伸实验中的线弹性部分, 塑性部分 材料流动模型采用式 ( 1) 进行, 模拟中的边界条件 与实际物理实验一致[ 9] 。
图 1 45 钢真实应力- 应变曲线 Fig 1 T rue st ress st rain curve f or st eel 45
表 2 45 钢拉伸、扭转和剪切实验中的韧性断裂值 Table 2 Ductile fracture values of steel 45 during tensile, torsion and shearing tests
断裂准则名称
拉伸 1
拉伸 2
拉伸 3
扭转
剪切
M
N orm al ized Cockcroft & Lat ham 0 745
试件原始尺寸, 而实验中试件的直径在逐步减小并
有颈缩现象 ( 塑性失稳) , 因此对于确定材料在大变
形情况下的本构关系, 扭转实验数据范围更大、更
稳定合理, 根据塑性理论中单一曲线假设, 确定该
材料的流动应力模型为:
= 480 0 21 + 430
( 1)
式中: 为等效应力; 为等效应变。
软件 Defo rm 进行数值模拟以便获得整个成 形过程 中全部物理量的变化情况, 数值模拟后的力- 位移 曲线和试件外形尺寸 ( 包括拉伸断裂后的截面直径 及剪切断裂光滑区和撕裂区大小) 与物理实验结果 基本 吻 合。 其 中, 拉 伸 过 程 模 拟 采 用 二 维 情 形 ( Defor m2D V9 轴对称) 进行, 而扭转和剪切 过程 采用三维形式 ( Def orm3D V6) 进行模拟, 所有模 型在试件的工作区域和缺口部分进行网格局部细化。
本文以常用 45 钢为材料, 采用不同形式的试件 进行了拉伸、压缩、剪切、扭转等材料实验, 对工 程中广泛使用的 11 个采用宏观物理量表达的韧性断 裂准则进行对比研究, 利用商业化金属塑性成形模 拟专业软件 Def orm 对实验过程进行二维和 三维情 形的数值模拟, 并对这些准则在金属塑性成形过程 中适用的范围进行深入的讨论。
金属的韧性断裂一般是指金属材料经过剧烈塑 性变形后而发生的宏 观断裂 ( 裂纹尺 寸约 0 1 mm 以上) 现象。在金属塑性成形过程中, 多数工艺过 程把韧性断裂标准作为材料成形极限中的重要指标, 而有些工艺过程如冲裁、切削等则利用韧性断裂完 成加工过程, 因此准确预测构件内部和表面韧性破 坏发生的时间和位置对于金属塑性成形过程中工艺 制定和模具设计具有重要的意义。自 20 世纪 60 年 代以来, 国内外学者对金属韧性断裂现象从宏观和 细观两方面进行了比较深入系统的研究[ 1- 6] , 并提 出了 10 余种基于不同物理量的韧性断裂准则, 这些 准则大都采用阈值控制的方法, 即材料超出所设定 的阈值就认为发生起裂, 由于这些准则和断裂阈值
中图分类号: TG304
文献标识码: A
文章编号: 1000 3940 ( 2010) 01 0121 04
Research on ductile fracture criterion in plastic deformation processes
YU Song1 , FENG Wei ming1 , WANG Rong2 ( 1 Schoo l o f Civil Eng ineering , Shandong U niv ersity , Ji nan 250061, China; 2 Depart ment o f Eng ineer ing
1 49
0 5567
17
1 32
Br oz zo
0 745
0 636
0 561
06
06
0 628
O y a ne
1 59
1 47
1 34
0 421
1 43
1 25
Ay a da
0 33
0 345
0 334
0 00881
0 37