基于平均应力三轴度的304不锈钢断裂准则建立及应用

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金属材料在其加工过程中的塑性变形达到一定程度时,会出现韧性断裂和承载能力的损失。韧性断裂是影响金属材料可加工性和工程构件安全的重要因素。在产品的设计和优化过程中,对材料韧性断裂的准确预测起着至关重要的作用。工艺过程中,选用一种适用可靠的断裂准则显得很有必要。从目前的研究来看,众多韧性断裂准则和极限断裂准则被提出用于预测材料变形过程中裂纹的启裂位置和时刻。不锈钢作为一种绿色环保且综合性能优异的材料,已广泛地应用于各领域。近年来,对不锈钢的力学性能、耐腐蚀等问题进行了大量的研究,但对于不锈钢成形过程中断裂准则的研究却鲜有提及。本文以304不锈钢为对象,研究了其成形过程中的断裂准则,并将该准则应用于精冲领域,用以评价304不锈钢的精冲性能。文中设计了7组不同高径比的304不锈钢圆柱试样,对其进行平板镦粗破裂实验。对实验过程中测量的数据进行计算,建立了304不锈钢在其变形过程中的断裂准则,即“平均应力三轴度-等效应变”断裂准则。结果表明,平均应力三轴度存在一个极限值-1/3。在ABAQUS/Explicit平台上建立304不锈钢圆柱平板镦粗有限元模型,基于实验建立的断裂准则应用于有限元模拟中。将有限元模型中失效断裂点的应力、应变变量提取出来并计算,通过曲线拟合的方法建立校准后的断裂准则。结果表明,第4次校准的模拟结果能够较好地符合平板镦粗实验现象。通过对3组不同尺寸系列的圆环试样进行压缩实验,将测量的实验数据应用于圆环压缩有限元模拟中。有限元模拟结果和圆环压缩实验中试样的破裂情况进行对比,来验证校准建立的断裂准则的适用性和可靠性。结果表明,基于第4次校准建立的断裂准则能够较好的预测圆环压缩实验中试样的破裂情况。为了研究304不锈钢的精冲性能,设计开发了一种材料精冲性能实验装置,同时给出了一种材料精冲性能评价方法。将建立的304不锈钢断裂准则引入到精冲有限元模拟中,来预测精冲过程中裂纹的出现。通过对精冲模拟结果中试样光洁带l和毛刺高度t的测量,依据给出的标准评价了304不锈钢的精冲性能。评价结果表明,304不锈钢的精冲性能不好。
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