基于位错物理的金属塑性变形本构关系的研究

论文摘要

本文首先阐述了金属材料的塑性本构关系的国内外研究现状,对目前应用较为广泛的一些经验型及物理型本构模型进行了具体的介绍。然后对晶体塑性变形的物理机制进行了探讨,从而引进位错动力学的概念以解释金属的塑性流动行为。接着,基于FCC金属的细观塑性变形机理,构建出一种具有物理内禀的、准确性更好的FCC金属本构关系,并阐释了各材料常数与微结构特征量之间的联系及其所表征的物理意义。同时针对OFHC铜,利用约束条件下的多变量非线性规划方法并结合相关流应力实验数据,确定出其本构模型参数。然后,通过与实验结果的比较,验证了模型的可靠性。同时与MTS、Z-A及J-C本构模型进行了比较分析,得出本文的模型不仅具有更加准确的预测能力,而且因形式相对简单而实用性较强。然后,同样基于金属塑性变形的物理机制,构建出BCC金属动态本构关系,并确定出军工材料钽金属的本构模型参数。通过与实验数据及其它模型的比较表明,本文的BCC模型能够很好的描述钽的塑性流动行为,并且其适用条件可有效外推至很宽的温度及应变率范围。最后,根据HCP金属兼具FCC和BCC金属的部分晶体结构特点,其本构行为也应该介于两者之间,由此提出HCP本构模型为FCC和BCC本构模型的线性叠加,从而推导出新的HCP本构模型。然后通过我们的全局优化加局部优化的混合优化算法,得到典型的HCP金属Ti6Al4V钛合金的本构参数,最终通过相关比较验证了模型具有良好的准确性和适用性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目次
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 塑性本构关系的研究现状
• 1.2.1 经验型本构方程
• 1.2.2 物理型本构方程
• 1.3 本文主要工作及意义
• 第二章 晶体塑性变形基本理论
• 2.1 晶体简介
• 2.2 晶体的塑性变形
• 2.3 应变硬化
• 2.4 晶体结构缺陷对材料性能的影响
• 2.5 位错动力学简介
• 第三章 FCC金属物理本构模型及应用
• 3.1 FCC金属塑性变形机理及本构建模
• 3.1.1 定常结构下的热激活分析
• 3.1.2 结构演化分析
• 3.2 OFHC铜中的应用及本构参数确定
• 3.3 结果分析及模型验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 BCC金属物理本构模型及应用
• 4.1 BCC金属的物理本构建模
• 4.1.1 非热应力项
• 4.1.2 热激活函数项
• 4.1.3 阀值热应力项
• 4.2 钽的应用及本构参数确定
• 4.2.1 Matlab优化工具箱简介
• 4.2.2 模型参数优化计算
• 4.3 计算结果与模型验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 HCP金属物理本构模型及应用
• 5.1 HCP金属物理本构建模
• 5.2 动态应变时效和再结晶讨论
• 5.3 临界温度和孪晶讨论
• 5.4 TI6Al4V钛合金的本构模型确定
• 5.4.1 多参数非线性优化方法及其目标函数定义
• 5.4.2 参数的理论取值范围的讨论与确定
• 5.4.3 利用全局遗传算法确定参数初值
• 5.4.4 利用局部优化算法进行优化分析
• 5.5 计算结果及模型验证
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 作者简介