塑性變形中孔隙產(chǎn)生、修復(fù)模型及數(shù)值模擬.pdf

1、孔隙性缺陷是金屬材料中常見的一種缺陷，金屬中孔隙的萌生、擴(kuò)展并連結(jié)成宏觀裂紋缺陷，是導(dǎo)致很多核能、電力、化工工業(yè)中構(gòu)件在加工和使用過程中失效的主要原因之一。因此，研究孔隙性缺陷在一定條件下的萌生、擴(kuò)展和修復(fù)，對(duì)發(fā)展塑性成形、擴(kuò)散焊接和粉末燒結(jié)等工藝都有重大的指導(dǎo)意義。主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　首先通過基于真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)的，嵌入基體延性損傷斷裂、顆粒脆性斷裂和界面損傷斷裂的有限元模型，研究了第二相粒子對(duì)金屬材料孔隙性缺陷演變的影響以及復(fù)

2、合材料板材軋制過程中的孔隙演變規(guī)律。研究表明:對(duì)于20％vol.SiCp/Al復(fù)合材料，在拉伸變形過程中，孔隙首先在顆粒與基體的界面處萌生，然后在基體和界面處擴(kuò)展，最后導(dǎo)致材料的斷裂。在模擬結(jié)果中，可以看到基體斷裂、界面脫粘和顆粒斷裂三種失效形式同時(shí)存在。復(fù)合材料中各組分的性質(zhì)對(duì)復(fù)合材料的孔隙性缺陷演變有影響。模擬結(jié)果表明界面結(jié)合強(qiáng)度越高，材料拉伸過程中的生成的孔隙越少。過高強(qiáng)度的第二相粒子使復(fù)合材料在拉伸過程中產(chǎn)生較多的孔隙。不同壓下

3、量的SiCp/Al復(fù)合材料多尺度軋制模擬結(jié)果表明，壓下量為25％時(shí)，變形不均引起的邊部拉應(yīng)力導(dǎo)致了對(duì)應(yīng)區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的斷裂，從而使復(fù)合材料板材產(chǎn)生邊裂缺陷。
　　其次通過高溫拉伸實(shí)驗(yàn)研究了熱力參數(shù)對(duì)材料變形行為的影響。研究表明:在800℃～1200℃和0.04～4 s-1的應(yīng)變速率范圍內(nèi)，含1％初始孔隙的316L不銹鋼的斷口形貌中都存在韌窩。在溫度一定時(shí)，隨著應(yīng)變速率增大，韌窩變得小而密集;在應(yīng)變速率一定時(shí)，隨著變形溫度升高，韌窩尺

4、寸變大。斷口形貌中大尺寸的韌窩為材料中初始孔隙擴(kuò)展形成的。
　　基于擴(kuò)散理論和概率理論，建立了熱處理過程中疏松缺陷修復(fù)的動(dòng)力學(xué)理論模型，該模型考慮了疏松缺陷孔隙尺寸概率分布。與不考慮孔隙尺寸概率分布模型的計(jì)算結(jié)果相比，概率模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近。通過疏松缺陷修復(fù)動(dòng)力學(xué)模型建立了熱處理過程中的疏松修復(fù)圖。利用疏松修復(fù)圖可以確定疏松缺陷修復(fù)的必要溫度和時(shí)間。
　　基于Kuhn的多孔材料塑性理論，建立了考慮溫度影響的單向壓縮

5、過程中疏松材料致密化模型。與原有的多孔材料塑性理論模型計(jì)算結(jié)果相比，考慮溫度影響的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　通過熱處理實(shí)驗(yàn)、等溫恒應(yīng)變速率壓縮實(shí)驗(yàn)和變形后熱處理實(shí)驗(yàn)，研究了疏松類孔隙性缺陷的修復(fù)行為和疏松類孔隙性缺陷對(duì)材料變形行為和微觀組織的影響。研究表明:高溫壓縮變形能提高材料孔隙尺寸的均勻性。在變形前期，疏松缺陷通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使材料硬化;在變形后期，根據(jù)變形溫度不同，疏松缺陷通過促進(jìn)材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶或阻礙晶粒的長(zhǎng)大導(dǎo)致材

6、料在高溫變形時(shí)的軟化或硬化現(xiàn)象。疏松修復(fù)的驅(qū)動(dòng)力為變形畸變能、殘余應(yīng)力和輸入的熱量。變形畸變能是等溫?zé)崽幚碇惺杷尚迯?fù)的主要驅(qū)動(dòng)力。在熱處理過程中，晶界和孔隙相互作用，晶粒長(zhǎng)大的同時(shí)消除了一部分孔隙。
　　根據(jù)塑性變形理論、蠕變理論和擴(kuò)散理論建立了考慮晶粒長(zhǎng)大作用的裂紋類孔隙性缺陷修復(fù)的動(dòng)力學(xué)理論模型。模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:隨著高溫過程中晶粒的長(zhǎng)大，晶界擴(kuò)散對(duì)裂紋類缺陷修復(fù)的作用減少。根據(jù)裂紋缺陷修復(fù)的動(dòng)力學(xué)模型，建立了裂紋缺陷修