铝合金Taylor冲击实验晶体塑性模拟

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传统宏观唯象型本构模型只能通过对实验数据的拟合给出经验型公式,难以对材料变形时内部结构变化机理做出解释和说明,为了研究材料变形时微观结构与宏观变形之间的关系,基于物理机理的本构模型得到了越来越多研究人员的关注。晶体塑性理论以连续介质力学为基础,通过对变形梯度张量的分解将材料内部晶体的滑移、位错等与其宏观变形相关联,并且可以引入孪晶、相变等物理机制对材料的微观尺度下的变形行为进行物理本质的说明。近年来随着航空工业、国防科技等领域的发展,对材料动态性能的研究需求也随之增加,据此,本文开发了基于位错密度的跨尺度晶体塑性有限元方法,并对7075-T6铝合金分别进行了动态压缩和Taylor冲击的有限元数值分析,通过与实验结果的对比验证了该模型的准确性,并分析了材料变形过程中宏观力学行为及微观结构演化,主要工作内容如下:(1)对基于位错密度的晶体塑性理论进行了详细推导,建立了以位错密度为中间变量的硬化模型,并介绍了通过ABAQUS中用户自定义子程序进行数值求解的过程;对Taylor冲击实验的理论基础进行介绍,说明了Taylor冲击实验后子弹轮廓与其冲击过程中宏观力学行为的关系;(2)通过控制变量法研究了晶体塑性有限元模型中的摩擦系数以及位错增殖、湮灭系数对动态压缩实验模拟结果的影响,分析可知摩擦系数对模拟结果中宏观力学性能的影响可以忽略不计,仅对最终云图显示和接触面横向位移产生微小影响,位错增殖、湮灭系数则会影响材料的硬化行为和极限强度;(3)对7075-T6铝合金圆柱体试样进行了动态压缩实验,使用EBSD对实验前后试样的微观结构进行了表征,通过与实验结果的对比标定了晶体塑性模型中7075-T6铝合金的相关参数,并将数值计算结果与实验结果进行了对比,研究表明:本文所采用的晶体塑性模型可以较为准确地预测7075-T6铝合金动态压缩时的力学行为和微观结构变化,二者均显示为生成了较多的Brass{110}<112>织构和Goss{110}<001>织构,但模拟结果对织构体积分数的预测与实验存在一定差异;(4)对7075-T6铝合金平头圆柱体试样进行了不同速度的Taylor冲击实验,并进行了相应的晶体塑性有限元模拟。结果表明:数值计算可以较为准确地预测Taylor冲击后试样的轮廓,通过对比可知模拟结果对撞击后子弹撞击面直径和终长的预测误差均在4%以内;随着冲击速度增加,由于材料内部晶体取向发生了择优转动,Goss{110}<001>织构、S{123}<634>织构以及R-Cube{012}<100>织构的体积分数逐渐增加,F{111}<112>织构、E{111}<110>织构的体积分数逐渐减少。
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