考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法技术

考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，属于金属热塑性变形技术领域，包括以下步骤：通过热力模拟试验对标准试样相应进行单向压缩和单轴拉伸，确定动态再结晶及损伤相关参数；在此基础上，构建含组织演变的损伤参数初始表达式；通过二次开发，将该损伤参数与商用有限元软件集成，以实现金属热变形

【技术实现步骤摘要】
考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法


[0001]本专利技术属于金属热塑性变形
，具体涉及的是一种考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法
。

技术介绍

[0002]金属热塑性变形过程中的损伤通常宏观上是看不见
、
摸不着的，同时也是不可逆的
。
当损伤累积到一定程度，材料就会开裂，任何预料之外的开裂都有可能在人力
、
物力
、
财力方面带来严重危害
。
因此，建立相应的模型对金属材料热变形过程中的损伤演化及开裂进行预测具有明显的工程意义和社会意义
。
[0003]目前，普遍采用宏观损伤模型进行金属热塑性变形损伤开裂预测，宏观损伤模型主要包括两种模型：一种是现有的半经验模型，另一种是研究人员根据具体材料自主建立的唯象模型
。
[0004]半经验模型本质上是一种能量累积极限的判断，即认为模型表达式中的积分项达到一个固定的临界损伤值时，材料就会失效开裂，常用的半经验模型主要包括
Freudenthal
模型
、C
‑
L
模型
、NormalizedC
‑
L
模型
、Brozzo
模型等，这些模型具有形式简单，应用方便的优点
。
但是，因为这些模型只表达了应力状态对损伤开裂的影响，对于热变形过程中，微观组织状态
、
温度
、
应变速率等关键因素的影响均未考虑，因此上述模型并不能直接应用于热变形损伤开裂预测，需要在对临界损伤值进行标定时引入热变形影响因素
。
而且随变形材料的不同，各准则的适用性及预测精度并不稳定
。
[0005]自主建立唯象模型时，大多采用对实验数据进行拟合的方法来构建变形参数与损伤现象的对应关系
。
其优点是针对性强，可以很好地描述某一种特定材料的损伤开裂过程
。
但这类模型基本没有明显的物理含义，且形式各异，适用性非常有限
。
一旦材料改变，模型的表达式及参数都将不能使用，不利于推广应用
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法
。
[0007]本专利技术通过以下技术方案予以实现：考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，包括以下步骤：
[0008]S1、
在热变形参数范围内，采用热力模拟试验设备对标准试样分别进行以下操作：
[0009]1)、
单向压缩实验：获得标准压缩试样的真实应力
‑
应变曲线，确定稳态应力
、
饱和应力以及动态再结晶体积分数；
[0010]2)、
单轴拉伸实验：获得标准拉伸试样的真实应力
‑
应变曲线，确定损伤萌生应变
(
拉伸应力
‑
应变曲线峰值点对应的应变
)
以及断裂应变；
[0011]3)、
先在若干标准拉伸试样上分别预制不同半径的缺口，制得缺口试样；然后对缺口试样进行单轴拉伸实验：获得缺口试样的真实应力
‑
应变曲线，确定应力三轴度以及应力
状态影响系数
(
热变形参数相同时，预制缺口半径的试样的断裂应变与光滑试样的断裂应变之比
)
；
[0012]S2、
通过步骤
S1
确定的参数建立包含微观组织演变影响因素的金属热塑性变形损伤参数
d0为：
[0013][0014]式中，
K
为系数，
X
dre
为动态再结晶体积分数，为有效应力，
η
为应力状态影响系数，
ε
i
为损伤萌生应变，
ε
f
为断裂应变，为等效应变；
[0015]S3、
首先，通过对商用有限元软件的二次开发，将步骤
S2
确定的损伤参数
d0与软件主程序集成；然后，以步骤
S1
获得的实验数据作为模拟边界条件，使用二次开发的有限元软件对步骤
S1
中标准拉伸试样的单轴拉伸实验进行热变形
‑
损伤演化同步模拟；最后，根据步骤
S1
中标准拉伸试样的单轴拉伸实验结果与热变形
‑
损伤演化同步模拟结果对步骤
S2
中损伤参数
d0进行校准，确定修正系数
γ
；
[0016]S4、
根据步骤
S3
确定的修正系数对损伤参数
d0进行修正，得到修正损伤参数
d1为：
[0017][0018]采用修正损伤参数
d1取代步骤
S2
中的损伤参数
d0，然后重复步骤
S3
的二次开发过程，实现
d1与主程序的集成，建立起金属热变形
‑
损伤演化同步模拟平台，再将“d1＝
1”作为失效开裂的判断条件
(
即当
d1＝1时，认为对应材料点发生失效
、
试样内出现裂纹
)
输入二次开发的有限元软件，即可实现金属热塑性变形损伤演化及开裂预测
。
[0019]进一步地，所述步骤
S1
中，热变形参数包括变形温度和变形速率，具体数值范围取决于变形金属及成形工艺
。
[0020]进一步地，所述步骤
S1
中，根据缺口试样的几何尺寸计算应力三轴度
R
σ
：
[0021][0022]其中，
R0为缺口试样的缺口半径，
a0为缺口试样的最小横截面半径
。
[0023]进一步地，所述步骤
S2
中，损伤参数
d0的求解过程包括以下步骤：
[0024]S2
‑
1、
金属热变形过程中动态再结晶和损伤演化会造成应力软化，所以首先假设存在一种既无损伤又无动态再结晶发生的理想应力
‑
应变行为，在既定变形条件下其应力为
σ
W
；
[0025]S2
‑
2、(1)、
当仅有动态再结晶发生时，引起的应力软化值为：
[0026]Δσ
W
‑
T
＝
X
dre
(
σ
s
‑
σ
ss
)
＝
KX
dre
；
[0027]式中，
X
dre
为动态再结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
在热变形参数范围内，采用热力模拟试验设备对标准试样分别进行以下操作：
1)、
单向压缩实验：获得标准压缩试样的真实应力
‑
应变曲线，确定稳态应力
、
饱和应力以及动态再结晶体积分数；
2)、
单轴拉伸实验：获得标准拉伸试样的真实应力
‑
应变曲线，确定损伤萌生应变以及断裂应变；
3)、
先在若干标准拉伸试样上分别预制不同半径的缺口，制得缺口试样；然后对缺口试样进行单轴拉伸实验：获得缺口试样的真实应力
‑
应变曲线，确定应力三轴度以及应力状态影响系数；
S2、
通过步骤
S1
确定的参数建立包含微观组织演变影响因素的金属热塑性变形损伤参数
d0为：式中，
K
为系数，
X
dre
为动态再结晶体积分数，为有效应力，
η
为应力状态影响系数，
ε
i
为损伤萌生应变，
ε
f
为断裂应变，为等效应变；
S3、
首先，通过对商用有限元软件的二次开发，将步骤
S2
确定的损伤参数
d0与软件主程序集成；然后，以步骤
S1
获得的实验数据作为模拟边界条件，使用二次开发的有限元软件对步骤
S1
中标准拉伸试样的单轴拉伸实验进行热变形
‑
损伤演化同步模拟；最后，根据步骤
S1
中标准拉伸试样的单轴拉伸实验结果与热变形
‑
损伤演化同步模拟结果对步骤
S2
中损伤参数
d0进行校准，确定修正系数
γ
；
S4、
根据步骤
S3
确定的修正系数对损伤参数
d0进行修正，得到修正损伤参数
d1为：采用修正损伤参数
d1取代步骤
S2
中的损伤参数
d0，然后重复步骤
S3
的二次开发过程，实现
d1与主程序的集成，建立起金属热变形
‑
损伤演化同步模拟平台，再将“d1＝
1”作为失效开裂的判断条件输入二次开发的有限元软件，即可实现金属热塑性变形损伤演化及开裂预测
。2.
根据权利要求1所述的考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，其特征在于：所述步骤
S1
中，热变形参数包括变形温度和变形速率
。3.
根据权利要求1所述的考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，其特征在于：所述步骤
S1
中，根据缺口试样的几何尺寸计算应力三轴度
R
σ
：其中，
R0为...

【专利技术属性】
技术研发人员：安红萍，武建国，陈慧琴，李荣斌，何文武，焦永星，李飞，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：