基于位错滑移的铝合金断裂行为的研究

论文摘要

金属材料损伤破坏机理一直是材料科学与工程领域研究的热门课题。孔洞长大和聚合直接影响金属材料的断裂过程,以往的研究大多把金属当成各向同性的材料,未考虑晶体取向、晶内及晶间的不均匀塑性变形等因素。而事实上,这些因素决定了孔洞长大和聚合的过程。因此,有必要从细观的角度来研究晶体取向以及晶粒尺度上的不均匀塑性变形等对金属材料断裂行为的影响。本文结合晶体塑性力学,采用宏观和细观研究相结合及计算模型、理论分析、实验验证相结合的方法,开展孔洞在铝单晶和晶界上长大与聚合行为的研究工作。通过研究,提出了一种改善高强铝合金断裂韧性的热处理方法。本文主要创新点如下:(1)提出了把孔洞视为一种弹性模量和泊松比都非常小的材料来计算孔洞体积的方法。与积分法、给定位移法相比,该方法既避免了积分法的大量编程运算,又解决了给定位移法不能考虑晶体取向对孔洞长大速率影响的难题,且在计算中能直接求解单胞的有效应力和有效应变。(2)通过设计平面应变条件下含圆柱形孔洞的铝单晶压缩实验,探明了孔洞周围的晶体取向变化以及孔洞本身的变形规律。(3)采用3D晶体有限元探求了FCC晶体中晶体取向对球形孔洞长大和聚合过程的影响,揭示了晶体取向影响孔洞形状、孔洞长大方向、孔洞加速聚合以及裂纹形成的原因。(4)采用3D晶体有限元模型把晶体取向与孔洞长大速率以及材料的断裂直接联系在一起,为定量分析初始取向或织构对材料断裂性能的影响提供了一种有效的分析方法。(5)首次采用给定位移和多点约束的方法定量地研究了取向差影响孔洞长大和聚合的物理本质;建立了分析大角度晶界对孔洞长大和聚合影响的双晶模型,首次从位错滑移理论的角度揭示了再结晶组织易发生沿晶断裂的本质。(6)在研究了固溶制度对7A55和7050铝合金断裂韧性影响规律的基础上,建立了可溶性粒子与再结晶组织对合金断裂韧性的关系,提出了一种使合金既充分固溶又有效抑制再结晶的慢速升温固溶的热处理方法,使合金在具有高强度的同时,提高了合金的断裂韧性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第1章 文献综述
• 1.1 问题的提出及意义
• 1.2 破坏力学的发展和断裂的宏微观尺度
• 1.2.1 破坏力学的发展
• 1.2.2 断裂的宏微观尺度
• 1.3 损伤力学理论及国内外研究现状
• 1.3.1 损伤理论
• 1.3.2 研究现状
• 1.4 铝合金中的断裂问题
• 1.4.1 合金成分
• 1.4.2 第二相的分布
• 1.4.3 晶粒组织的影响
• 1.5 本文主要的研究内容及创新之处
• 1.5.1 研究的主要内容
• 1.5.2 研究的创新之处
• 第2章 晶体位错滑移变形的基本理论及有限元格式
• 2.1 晶体变形运动学
• 2.2 本构关系
• 2.3 晶体位错滑移的有限元实施
• ep的求解'>2.3.1 弹塑性矩阵C^ep的求解
• 2.3.2 隐式积分
• 2.3.3 局部坐标和整体坐标中弹性刚度矩阵的转换关系
• 2.3.4 应力更新步骤
• 2.3.5 与ABAQUS（ANSYS）有限元程序的结合
• 2.4 本章小结
• 第3章 孔洞体积计算的一种新方法
• 3.1 引言
• 3.2 各种计算方法的对比
• 3.2.1 近似法
• 3.2.2 程序法
• 3.2.3 位移边界条件法
• 3.2.4 把孔洞视为一种材料的处理方法
• 3.3 结果的对比分析
• 3.3.1 一般塑性有限元
• 3.3.2 晶体塑性有限元
• 3.4 新方法的应用
• 3.4.1 在晶体有限元中的应用
• 3.4.2 在渐近均匀化方法中的应用
• 3.4.3 在多相材料中的应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 铝单晶中孔洞长大的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 压缩实验
• 4.2.1 试样制备
• 4.2.2 EBSD测算
• 4.3 有限元模拟
• 4.4 结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 球形孔洞在单晶中长大和聚合的有限元模拟
• 5.1 引言
• 5.2 有限元模型
• 5.3 给定位移条件下晶体取向对孔洞长大和聚合的影响
• 5.3.1 孔洞在单晶中的长大
• 5.3.2 孔洞在单晶中的聚合
• 5.4 应力三轴度的影响
• 5.4.1 低应力三轴度
• 5.4.2 高应力三轴度
• 5.4.3 分析与讨论
• 5.5 本章小结
• 第6章 再结晶对合金断裂行为的影响
• 6.1 引言
• 6.2 多晶体弹塑性变形的研究
• 6.2.1 解析法
• 6.2.2 计算细观力学模拟
• 6.3 晶体取向差与再结晶的定义
• 6.3.1 晶体取向差
• 6.3.2 再结晶
• 6.4 再结晶对合金断裂性能的影响
• 6.4.1 对孔洞形核的影响
• 6.4.2 给定位移条件下大角度晶界对孔洞长大的影响
• 6.4.3 给定位移条件下大角度晶界对孔洞聚合的影响
• 6.4.4 一定应力三轴度下大角度晶界对孔洞长大和聚合的影响
• 6.5 实验验证
• 6.5.1 材料
• 6.5.2 拉伸试样
• 6.5.3 结果分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 固溶处理对7A55和7050铝合金断裂韧性的影响
• 7.1 引言
• 7.2 研究方法
• 7.2.1 金相观察
• 7.2.2 扫描电镜观察（SEM）
• 7.2.3 透射电镜观察（TEM）
• 7.3 固溶温度对7A55铝合金断裂韧性的影响
• 7.3.1 性能测试
• 7.3.2 显微组织分析
• 7.3.3 断口分析
• 7.3.4 分析与讨论
• 7.4 慢速升温固溶对7050铝合金断裂韧性的影响
• 7.4.1 力学性能与显微组织的比较
• 7.4.2 不同固溶制度的断裂韧性的对比分析
• 7.4.3 断口分析
• 7.4.4 分析与讨论
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 本文研究的主要结论
• 8.2 本研究存在的局限和进一步的研究展望
• 8.2.1 本研究存在的局限
• 8.2.2 进一步的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间主要研究成果