韧性断裂准则的试验与理论研究
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图 1 45 钢光滑圆 柱拉伸图
韧性断裂准则的试验与理论研究
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松
陈
军 阮雪榆
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其中 , R T 为材料韧窝型韧性断裂与剪切型韧性断 裂的转换 门槛值 , 45 钢的 R T 值为 0 4, 铝 合金 6082 R T 值为 0 3。
收稿日期 : 2006 金资助项目 09 01 基金项目 : 上海市博士后科研资助计划项目 ; 中国博士后科学基
1
韧性断裂试验和有限元数值模拟
首先进行材料的单轴拉伸和扭转试验以确定 材料的基本力学性能和流动模型参数。从这两个 试验结果对比来看 , 扭转试验相对于拉伸试验更 能稳定和准确地反映 材料屈服后的 流动应力水 平。因此 , 可根据塑性理论中单一曲线假设 , 利用 扭转试验数据确定试验材料的流动模型 [ 4] 。 2049
塑性 变 形 后 而 发 生 的 宏 观 断 裂 ( 裂 纹 尺 寸 约 0 1m m 以上 ) 。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, 一些工艺过程如冲裁、 切削等利用韧性断 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金属塑性成形过程 的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 象从宏观和微观两方面进行了比较深入的理论研 究和试验研究[ 1 3] , 并提出了 10 余种比较适合工 程应用的半经验型韧性断裂准则, 这些准则大都 采用阈值控制的方法 , 即材料某处超出所设定的 阈值就认为发生起裂。由于这些准则和断裂阈值 与材料性质、 成形过程和应力应变状态等诸多复
2
试验结果与讨论
在金属塑性体积成形专业软件 DEF ORM 中
带切口圆柱 ( D = 10m m, r = 10mm ) 带切口圆柱 ( D= 10m m, r = 5mm ) 光滑圆柱 ( D / H = 1. 0) 光滑圆柱 ( D / H = 0. 667) 光滑圆柱 ( D = 8mm ) 光滑圆柱 ( D = 10mm )
通过以上试验中韧性断裂 阈值 C 的数值模 拟, 针对 45 钢对比研究了 DEF ORM 软件中的韧 性断裂准则, 如表 2 所示, 其中 , 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。铝合金 6082 也具有类似情形。
表 2 45 钢拉伸 、 扭转和剪切试验中的韧性断裂 阈值
韧性断裂阈值 拉伸 1 0. 745 580. 000 1. 620 519. 000 1. 420 0. 745 1. 590 0. 330 0. 082 0. 031 1. 600 拉伸 2 0. 6060 478. 0000 1. 5300 327. 0000 1. 4300 0. 6360 1. 4700 0. 3450 0. 0750 0. 0405 1. 7200 拉伸 3 0. 5630 413. 0000 1. 4900 250. 0000 1. 4900 0. 5610 1. 3400 0. 334 0. 0613 0. 0512 1. 8600 扭转 0. 602 000 491. 000 000 1. 070 000 933. 000 000 0. 556 700 0. 600 000 0. 421 000 0. 008 810 0. 449 000 0. 000 509 0. 800 000 剪切 0. 60 489. 00 1. 55 741. 00 1. 70 0. 60 1. 43 0. 37 86. 00 485. 00 1. 81 M 0. 6232 490. 2000 1. 4520 554. 0000 1. 3200 0. 6280 1. 2500 0. 2770 17. 3300 97. 0000 1. 5580 MD (%) 10 11 14 46 30 10 34 49 198 195 25 DF (%) 29 34 38 123 86 29 93 121 495 500 64
提供了 11 种形式的韧性断裂准则 , 这些准则大都 采用应力变量沿塑性变形路径积分的形式, 即
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,
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, , ∀ ∀) d = C
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( 1) 为断裂 时的 等 为应力分量。
式中 , f 为关于各种应 力张 量的权 函数 ; 一般通过物理试验和数值计算联合确定 ;
效应变 ; 为等效应变 ; 为平均 应力 ; C 为韧性断 裂阈值 ,
表1
试验方法 拉伸 1 拉伸 2 拉伸 3 压缩 1 压缩 2 剪切 扭转
韧性断裂材料试验方案
试样类型 光滑圆柱 ( D = 10mm ) 应力三轴度 R 0. 33~ 1. 0 0. 76~ 0. 811 0. 97~ 1. 0 - 0. 27~ 0. 06 - 0. 30~ 0. 14 - 0. 9~ - 0. 5 0~ 0. 1
cБайду номын сангаас
以上物理试验过程全部采用塑性成形专业软 件 DEFORM 进行数值模拟 , 以便获得整个成形 过程中的全部物理量的变化情况, 采用数值模拟 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) 与物理试验结果基本吻合的方法确定韧性断
断裂准则名称 N ormal ized Cock croft & Lat h am Cockcroft & Lat ham M c Clint ock Frudent hal Rice & Tracy Brozzo O yane A yada O sakada Zhao & K uh n M ax ( Ef f . St res s/ U T S)
中国机械工程第 17 卷第 19 期 2006 年 10 月上半月
除上述拉伸和扭转试验中将标准试件加载至 断裂外, 还进行了不同切口半径 r = 10mm 和 r = 5mm , 且试样最小直 径 D 均 为 10m m 的 拉伸试 验, 其目的 是确定 在不 同应力 三轴 度 R ( R =
m
裂阈值。 其中, 拉伸 和压 缩过 程采 用 二维 情形 ( DEF ORM- 2D V8 1 轴对称 ) 进行模拟, 而扭转 和剪 切 过 程 采 用 三 维 形 式 ( DEFORM - 3D V5 0) 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处理, 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 用拉伸试验中的线弹性部分进行模拟 , 塑性部分 采用材料流动模型进行模拟, 模拟中的边界条件 与实际物理试验一致。
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为平均应力或 静水压力, 为等效应 力)
下材料的断裂情况 ; 为进一步研究金属材料在不 同应力状态下的断裂情形 , 还进行了不同径高比 ( D/ H ) 、 双面剪切试验, 如表 1 所示, 全部试验过 程在 M T S 材料试验机上采用静态加载方式 ( 1~ 5mm / min) 至试件断裂为止。
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引言
金属的韧性断裂一般是指金属材料经过剧烈
杂因素有关 , 因此 , 针对具体实际成形过程 , 正确 地选用准则和设定阈值并预测起裂的时间和位置 并非易事。 本文 针对 以典 型韧 性材 料 45 钢 和铝 合金 6082 为材料且采用不同形式的试件进行了拉伸、 压缩、 剪切、 扭转等材料试验, 并利用商业化金属 塑性成形模拟专业软件 DEFORM 对试验过程进 行二维和三维情形的数值模拟, 讨论了现有的韧 性断裂准则的适用范围 , 并总结出新的韧性断裂 准则 , 通过对厚板冲裁工艺方案的试验研究 , 验证 了结论的有效性。
从表 2 中可以看出: 没有一个韧性断裂判据的 C 值在所有试验中保持一致 , 即对于某一材料, 不论 采用何种韧性断裂判据都无法获得该种材料在任 意应力状态下固定的 C 值。 为此, 通过对比研究与 韧性断裂有直接关系的参数如静水压力
m
、 最大
主应力 1 和应力三轴度 R 在所有试验中的变化 规律 ( 图 1) , 来观察全部 45 钢和铝合金 6082 所有 试验中上述与韧性断裂有关的三个量与等效应变 的关系, 并结合修正的 Bro zzo 判据和等效应变判 据总结出如下公式: 2050
韧性断裂准则的试验与理论研究
虞
松
陈
军 阮雪榆
韧性断裂准则的试验与理论研究
虞 松1, 2 陈 军1 阮雪榆1
1. 上海交通大学国家模具 CAD 工程研究中心, 上海, 200030 2. 山东大学, 济南, 250061
摘要: 对不同样式的 45 钢和 6082 铝合金试件进行了拉伸、 压缩 、 剪切 、 扭转等材料试验 , 对工程中使用的 11 个韧性断裂准则进行对比研究 , 并利用专业塑性成形分析软件对试验过程 进行二维和三维情形的数值模拟。 指出目前使用的韧性断裂准则都不可能对材料在任意应力 应变状态和变形累积的情况下给出一个固定阈值 , 并给出了基于等效应变和应力三轴度的韧 性断裂准则修正公式 , 通过厚板普通冲裁和精密冲裁试验证明了结论的有效性 。 关键词 : 韧性断裂准则; 金属塑性成形; 材料试验; 应力三轴度; 冲裁试验 中图分类号 : O346. 1; T G301 文章编号 : 1004 132X( 2006) 19 2049 04 Experimental and Theoretical Research on Ductile Fracture Criterion 1, 2 1 1 Yu Song Chen Jun Ruan Xueyu 1. Nat ional Die and Mo ld CAD Engineering Research Cent er, Shang hai Jiao T ong U niv er sit y, Shanghai, 200030 2. Shandong Universit y, Jinan, 250061 Abstract: T ensio n, co mpr ession, t orsio n and shearing test on 45 st eel and alum inum alloy 6082 w ere ut ilized f or prov iding t he exper im ent al values of t he crit ical values at f ract ure, and 11 w idely used duct ile f ract ure crit eria w ere select ed t o sim ulat e the physical exper im ent s and t heir relat ive accu r acy fo r predict ing and quant ify ing fracture init iation sit es w ere inv est ig ated. T he co mparing results show t hat it is impossibl e t o capture all f eat ures o f duct ile fracture in dif ferent st ress and st rain st at es w it h a sing le crit er io n. A mo dified crit er io n based on ef f ective st rain and str ess t riax ialit y w as presen t ed. T he research result s are checked ex perimentally using the blanking and fine blanking t est s. Key words: duct ile f ract ur e crit er ia; metal for ming process; mat erial ex periment ; st ress t riaxiali t y ; blanking test
韧性断裂准则的试验与理论研究
虞
松
陈
军 阮雪榆
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2 1 -
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R # RT R < RT
( 2)
其中 , R T 为材料韧窝型韧性断裂与剪切型韧性断 裂的转换 门槛值 , 45 钢的 R T 值为 0 4, 铝 合金 6082 R T 值为 0 3。
收稿日期 : 2006 金资助项目 09 01 基金项目 : 上海市博士后科研资助计划项目 ; 中国博士后科学基
1
韧性断裂试验和有限元数值模拟
首先进行材料的单轴拉伸和扭转试验以确定 材料的基本力学性能和流动模型参数。从这两个 试验结果对比来看 , 扭转试验相对于拉伸试验更 能稳定和准确地反映 材料屈服后的 流动应力水 平。因此 , 可根据塑性理论中单一曲线假设 , 利用 扭转试验数据确定试验材料的流动模型 [ 4] 。 2049
塑性 变 形 后 而 发 生 的 宏 观 断 裂 ( 裂 纹 尺 寸 约 0 1m m 以上 ) 。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, 一些工艺过程如冲裁、 切削等利用韧性断 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金属塑性成形过程 的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 象从宏观和微观两方面进行了比较深入的理论研 究和试验研究[ 1 3] , 并提出了 10 余种比较适合工 程应用的半经验型韧性断裂准则, 这些准则大都 采用阈值控制的方法 , 即材料某处超出所设定的 阈值就认为发生起裂。由于这些准则和断裂阈值 与材料性质、 成形过程和应力应变状态等诸多复
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试验结果与讨论
在金属塑性体积成形专业软件 DEF ORM 中
带切口圆柱 ( D = 10m m, r = 10mm ) 带切口圆柱 ( D= 10m m, r = 5mm ) 光滑圆柱 ( D / H = 1. 0) 光滑圆柱 ( D / H = 0. 667) 光滑圆柱 ( D = 8mm ) 光滑圆柱 ( D = 10mm )
通过以上试验中韧性断裂 阈值 C 的数值模 拟, 针对 45 钢对比研究了 DEF ORM 软件中的韧 性断裂准则, 如表 2 所示, 其中 , 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。铝合金 6082 也具有类似情形。
表 2 45 钢拉伸 、 扭转和剪切试验中的韧性断裂 阈值
韧性断裂阈值 拉伸 1 0. 745 580. 000 1. 620 519. 000 1. 420 0. 745 1. 590 0. 330 0. 082 0. 031 1. 600 拉伸 2 0. 6060 478. 0000 1. 5300 327. 0000 1. 4300 0. 6360 1. 4700 0. 3450 0. 0750 0. 0405 1. 7200 拉伸 3 0. 5630 413. 0000 1. 4900 250. 0000 1. 4900 0. 5610 1. 3400 0. 334 0. 0613 0. 0512 1. 8600 扭转 0. 602 000 491. 000 000 1. 070 000 933. 000 000 0. 556 700 0. 600 000 0. 421 000 0. 008 810 0. 449 000 0. 000 509 0. 800 000 剪切 0. 60 489. 00 1. 55 741. 00 1. 70 0. 60 1. 43 0. 37 86. 00 485. 00 1. 81 M 0. 6232 490. 2000 1. 4520 554. 0000 1. 3200 0. 6280 1. 2500 0. 2770 17. 3300 97. 0000 1. 5580 MD (%) 10 11 14 46 30 10 34 49 198 195 25 DF (%) 29 34 38 123 86 29 93 121 495 500 64
提供了 11 种形式的韧性断裂准则 , 这些准则大都 采用应力变量沿塑性变形路径积分的形式, 即
!f (
f 0
1
,
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, , ∀ ∀) d = C
f
( 1) 为断裂 时的 等 为应力分量。
式中 , f 为关于各种应 力张 量的权 函数 ; 一般通过物理试验和数值计算联合确定 ;
效应变 ; 为等效应变 ; 为平均 应力 ; C 为韧性断 裂阈值 ,
表1
试验方法 拉伸 1 拉伸 2 拉伸 3 压缩 1 压缩 2 剪切 扭转
韧性断裂材料试验方案
试样类型 光滑圆柱 ( D = 10mm ) 应力三轴度 R 0. 33~ 1. 0 0. 76~ 0. 811 0. 97~ 1. 0 - 0. 27~ 0. 06 - 0. 30~ 0. 14 - 0. 9~ - 0. 5 0~ 0. 1
cБайду номын сангаас
以上物理试验过程全部采用塑性成形专业软 件 DEFORM 进行数值模拟 , 以便获得整个成形 过程中的全部物理量的变化情况, 采用数值模拟 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) 与物理试验结果基本吻合的方法确定韧性断
断裂准则名称 N ormal ized Cock croft & Lat h am Cockcroft & Lat ham M c Clint ock Frudent hal Rice & Tracy Brozzo O yane A yada O sakada Zhao & K uh n M ax ( Ef f . St res s/ U T S)
中国机械工程第 17 卷第 19 期 2006 年 10 月上半月
除上述拉伸和扭转试验中将标准试件加载至 断裂外, 还进行了不同切口半径 r = 10mm 和 r = 5mm , 且试样最小直 径 D 均 为 10m m 的 拉伸试 验, 其目的 是确定 在不 同应力 三轴 度 R ( R =
m
裂阈值。 其中, 拉伸 和压 缩过 程采 用 二维 情形 ( DEF ORM- 2D V8 1 轴对称 ) 进行模拟, 而扭转 和剪 切 过 程 采 用 三 维 形 式 ( DEFORM - 3D V5 0) 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处理, 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 用拉伸试验中的线弹性部分进行模拟 , 塑性部分 采用材料流动模型进行模拟, 模拟中的边界条件 与实际物理试验一致。
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为平均应力或 静水压力, 为等效应 力)
下材料的断裂情况 ; 为进一步研究金属材料在不 同应力状态下的断裂情形 , 还进行了不同径高比 ( D/ H ) 、 双面剪切试验, 如表 1 所示, 全部试验过 程在 M T S 材料试验机上采用静态加载方式 ( 1~ 5mm / min) 至试件断裂为止。
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引言
金属的韧性断裂一般是指金属材料经过剧烈
杂因素有关 , 因此 , 针对具体实际成形过程 , 正确 地选用准则和设定阈值并预测起裂的时间和位置 并非易事。 本文 针对 以典 型韧 性材 料 45 钢 和铝 合金 6082 为材料且采用不同形式的试件进行了拉伸、 压缩、 剪切、 扭转等材料试验, 并利用商业化金属 塑性成形模拟专业软件 DEFORM 对试验过程进 行二维和三维情形的数值模拟, 讨论了现有的韧 性断裂准则的适用范围 , 并总结出新的韧性断裂 准则 , 通过对厚板冲裁工艺方案的试验研究 , 验证 了结论的有效性。
从表 2 中可以看出: 没有一个韧性断裂判据的 C 值在所有试验中保持一致 , 即对于某一材料, 不论 采用何种韧性断裂判据都无法获得该种材料在任 意应力状态下固定的 C 值。 为此, 通过对比研究与 韧性断裂有直接关系的参数如静水压力
m
、 最大
主应力 1 和应力三轴度 R 在所有试验中的变化 规律 ( 图 1) , 来观察全部 45 钢和铝合金 6082 所有 试验中上述与韧性断裂有关的三个量与等效应变 的关系, 并结合修正的 Bro zzo 判据和等效应变判 据总结出如下公式: 2050
韧性断裂准则的试验与理论研究
虞
松
陈
军 阮雪榆
韧性断裂准则的试验与理论研究
虞 松1, 2 陈 军1 阮雪榆1
1. 上海交通大学国家模具 CAD 工程研究中心, 上海, 200030 2. 山东大学, 济南, 250061
摘要: 对不同样式的 45 钢和 6082 铝合金试件进行了拉伸、 压缩 、 剪切 、 扭转等材料试验 , 对工程中使用的 11 个韧性断裂准则进行对比研究 , 并利用专业塑性成形分析软件对试验过程 进行二维和三维情形的数值模拟。 指出目前使用的韧性断裂准则都不可能对材料在任意应力 应变状态和变形累积的情况下给出一个固定阈值 , 并给出了基于等效应变和应力三轴度的韧 性断裂准则修正公式 , 通过厚板普通冲裁和精密冲裁试验证明了结论的有效性 。 关键词 : 韧性断裂准则; 金属塑性成形; 材料试验; 应力三轴度; 冲裁试验 中图分类号 : O346. 1; T G301 文章编号 : 1004 132X( 2006) 19 2049 04 Experimental and Theoretical Research on Ductile Fracture Criterion 1, 2 1 1 Yu Song Chen Jun Ruan Xueyu 1. Nat ional Die and Mo ld CAD Engineering Research Cent er, Shang hai Jiao T ong U niv er sit y, Shanghai, 200030 2. Shandong Universit y, Jinan, 250061 Abstract: T ensio n, co mpr ession, t orsio n and shearing test on 45 st eel and alum inum alloy 6082 w ere ut ilized f or prov iding t he exper im ent al values of t he crit ical values at f ract ure, and 11 w idely used duct ile f ract ure crit eria w ere select ed t o sim ulat e the physical exper im ent s and t heir relat ive accu r acy fo r predict ing and quant ify ing fracture init iation sit es w ere inv est ig ated. T he co mparing results show t hat it is impossibl e t o capture all f eat ures o f duct ile fracture in dif ferent st ress and st rain st at es w it h a sing le crit er io n. A mo dified crit er io n based on ef f ective st rain and str ess t riax ialit y w as presen t ed. T he research result s are checked ex perimentally using the blanking and fine blanking t est s. Key words: duct ile f ract ur e crit er ia; metal for ming process; mat erial ex periment ; st ress t riaxiali t y ; blanking test