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纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟

作　者: 黄晓华
导　师: 来忠红
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: TA2纯钛塑性变形有限元模拟晶粒取向晶粒尺寸织构
分类号: TG146.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文采用晶体塑性有限元(Crystal Plasty Finite Element Method,CP-FEM)为基础,结合Voronoi图表技术建立了包含纯钛材料基本参数的单晶体和多晶体塑性变形有限元模型,从细观角度研究了晶体的变形行为。首先利用晶体塑性有限元方法,建立了纯钛单晶塑性变形模型,对钛单晶体的拉伸变形行为进行了研究,模拟结果表明在边界约束条件下,单晶体拉伸变形的同时发生了取向的旋转,其滑移系的滑移方向会逐步趋向于与拉伸方向平行。利用建立的单晶体模型研究了晶体初始取向与晶体滑移的宏观力学响关系,结果表明,软位向方向拉伸的拉伸应力小于硬位向方向拉升应力,模拟变形过程符合Schmid定律。通过Voronoi图表信息建立了TA2多晶体模型,并模拟了拉伸变形,对照真实材料拉伸实验,分析了晶体变形过程的外形、组织形貌及应力应变关系,模拟与实验结果接近。分段表征了TA2多晶体模型变形的应力应变演化过程,描述了多晶体塑性变形弹性阶段、屈服阶段、硬化阶段与颈缩阶段应力应变分布,详细分析了晶粒变形的不均匀性的微观机制,说明了桔皮组织的形成过程。分析了不同晶粒尺寸对多晶体塑性变形行为的影响,研究结果表明,随着晶粒度减小,晶体屈服强度增大,硬化曲线变陡,结果符合Hall-Petch关系,预测TA2纯钛的Hall-Petch常数为σ0=64.9MPa,K=473.3MPaμm1/2。利用设定同取向晶粒建立织构模型的方法研究了初始织构对多晶体变形各向异性及应力应变关系的影响,结果表明随着织构强度的升高,多晶体变形不均匀性增大,多晶体屈服强度升高,硬化曲线变陡。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-20
  1.1 纯钛概述  9-12
    1.1.1 纯钛的基本性质及用途  9-11
    1.1.2 纯钛塑性变形特征  11-12
  1.2 晶体塑性有限元方法  12-19
    1.2.1 有限元基本思想  12-13
    1.2.2 晶体塑性有限元方法研究的层次性  13-15
    1.2.3 晶体塑性有限元方法应用研究进展  15-19
  1.3 本文主要研究目的及主要研究内容  19-20
第2章研究材料及模型建立  20-45
  2.1 引言  20
  2.2 TA2 纯钛材料基本信息  20-24
    2.2.1 TA2 纯钛单晶体材料信息  20-21
    2.2.2 TA2 纯钛多晶体材料信息  21-24
  2.3 晶体塑性理论方程与数值解法  24-34
    2.3.1 金属滑移几何和运动学  24-26
    2.3.2 率相关单晶体塑性本构理论  26-29
    2.3.3 多晶体塑性本构理论  29-30
    2.3.4 晶体塑性模型的数值实现与求解  30-34
  2.4 ABAQUS建模及子程序调用  34-44
    2.4.1 单晶体塑性变形模型  35-38
    2.4.2 多晶体塑性变形模型  38-41
    2.4.3 边界条件及接口调用  41-44
  2.5 本章小结  44-45
第3章 TA2 单晶体塑性变形过程的模拟研究  45-55
  3.1 引言  45-46
  3.2 滑移系开动的分切应力剪切应变分析  46-49
  3.3 晶体取向的旋转与演化  49-52
  3.4 晶体初始取向与力学行为的响应关系  52-54
  3.5 本章小结  54-55
第4章 TA2 纯钛多晶体拉伸变形过程的模拟研究  55-73
  4.1 引言  55
  4.2 TA2 纯钛拉伸过程的实验与模拟  55-56
  4.3 组织演化的对比分析  56-58
  4.4 宏观应力/应变表征及对比分析  58-62
  4.5 晶粒尺寸对力学性能的影响  62-68
  4.6 初始织构对力学性能的影响  68-72
  4.7 本章小结  72-73
结论  73-74
参考文献  74-79
致谢  79

纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟

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