断裂准则

第18卷 第4期2010年8月

材 料 科 学 与 工 艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGY

Vol 18No 4Aug.,2010

金属韧性断裂准则的数值模拟和试验研究

黄建科,董湘怀

1,2

1

(1.上海交通大学模具CAD国家工程研究中心,上海200030;2.上海飞机设计研究院,上海200232)

摘 要:对不同外形的45钢试件进行了拉伸、压缩和扭转等材料试验,对工程中常用的5个韧性断裂准则的适用范围进行了对比研究,并采用Gurson Tvergaard(GT)多孔材料本构模型对试验过程进行了数值模拟.指出目前使用的断裂准则都不可能对材料在多种变形条件下给出一个固定临界值.根据金属成形工艺特点,综合考虑拉伸型和剪切型2种不同韧性断裂机制,提出一个统一的韧性断裂准则形式.试验和数值计算结果证明了该准则的有效性和普适性,进而利用单向拉伸和扭转试验确定的材料常数合理地预测压缩过程中的韧性断裂现象.

关键词:韧性断裂准则;数值模拟;金属成形过程

中图分类号:TG306;TG111文献标志码:A文章编号:1005-0299(2010)04-0450-05

Numericalsimulationandexperimentalverificationofductilefracturecriteriaofmetals

HUANGJian ke,DONGXiang huai

1,2

1

(1.NationalEngineeringResearchCenterofDie&MouldCAD,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai

200030,China;2.ShanghaiAircraftDesignandResearchInstitute,Shanghai200232,China)

Abstract:Tension,compressionandtorsiontestson45steelwerecarriedoutforprovidingthecriticalvalues

atfracture,andnumericalsimulationofthephysicalexperimentswasperformedbyusingGurson Tvergaard(GT)porousmaterialmodeltocomparetherelativeapplicationrangeof5widelyusedductilefracturecrite ria.Thecomparisonrevealsthatitisimpossibletocaptureallfeaturesofductilefractureundervariousdeform ationconditionsbyasinglecriterion.Aunifiedfracturecriterion,consideringbothtension typemodeandshear typemode,isproposedandappliedintheanalysis.Experimentalandnumericalresultsconfirmtheva lidityandwideapplicabilityofthenewductilefracturecriterion.Moreover,materialconstantsobtainedthroughuniaxialtensionandtorsionexperimentsareusedtopredicttheoccurrenceofductilefractureincom pressionprocess.

Keywords:ductilefracturecriterion;numericalsimulation;metalformingprocesses 金属的韧性断裂是指金属材料经过剧烈塑性

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变形后而发生的宏观断裂.在金属塑性成形过程中,多数工艺过程把韧性断裂标准作为材料成形极限中的重要指标,因此,准确预测金属零件成形时韧性断裂发生的时间和位置对金属塑性成

收稿日期:2008-08-20.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575143);高等学校博

士学科点专项科研基金资助项目(20040248005).

作者简介:黄建科(1980-),男,博士;

董湘怀(1955-),男,教授,博士生导师.

联:,E mldongxh@sjtu.edu.cn.

形过程的工艺制定和模具设计具有重要意义.自

20世纪50年代以来,国内外学者对金属韧性断裂现象从宏观和微观两方面进行了比较深入的理论研究和试验研究,并从工程实用的角度出发提出了很多韧性断裂准则.大多数韧性断裂准则表示为塑性变形时的应力、应变和相关材料常数组合而成的积分形式.当材料某处的积分值达到临界值时,则在此处发生韧性断裂.但这类准则通常只限于某些特定的变形条件.

本文以完全球化退火的45钢为材料,采用不