断裂准则

第35卷第1期Vol 35 No

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2010年2月

Feb.2010

金属韧性断裂准则的实验研究

虞 松,冯维明,王 戎

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(1 山东大学土建与水利学院,山东济南250061;2 山东省城市建设职业学院工程管理系,山东济南250014)摘要:韧性断裂准则作为材料成形极限中的重要指标,对于准确预测金属内部和表面韧性破坏发生的时间和位置、工艺制定和模具设计具有重要的意义。以45钢为材料,采用不同形式的试件进行了拉伸、压缩、剪切、扭转等实验,并利用金属塑性成形模拟专业软件对实验过程进行数值模拟,对工程中广泛使用的11种韧性断裂准则进行分类对比研究。指出NormalizedCockroft&Latham和Brozzo断裂准则比较适用于高应力三轴度成形过程,而Ayada和Rice Tracy断裂准则更适用于较低应力三轴度成形过程。关键词:韧性断裂准则;金属塑性成形;应力三轴度DOI:10 3969/j issn 1000 3940 2010 01 033

中图分类号:TG304 文献标识码:A 文章编号:1000 3940(2010)01 0121 04

Researchonductilefracturecriterioninplasticdeformationprocesses

YUSong1,FENGWei ming1,WANGRong2

(1 SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Ji nan250061,China;2 DepartmentofEngineering

Management,ShandongUrbanConstructionVocationalCollege,Ji nan250014,China)

Abstract:Ductilefracturecriterionisakeyparameterinmaterialforminglimitation.Accuracypredictingsurfaceandinternalfailureinplasticdeformationprocessaffectgreatlythetechnologydesignofworkpieceanddie.Tension,com pression,torsionandshearingteston45steelwereutilizedforprovidingtheexperimentalvaluesofthecriticalvaluesatfracture,and11kindsofusuallyusedductilefracturecriterionswereselectedtosimulatethephysicalexperimentsandtheirrelativeaccuracyforpredictingandquantifyingfractureinitiationsiteswasinvestigated.Thecomparingre sultsshowthatmetalformingprocessunderhightriaxialitycanbeestimatedsuccessivelyusingbothNormalizedCock croft lathamandtheBrozzoductilefracturecriteria,buttheAyadaandgeneralRice Traceymodelworkverywellforthelowtriaxialitycases.

Keywords:ductilefracturecriteria;metalformingprocess;stresstriaxiality

金属的韧性断裂一般是指金属材料经过剧烈塑性变形后而发生的宏观断裂(裂纹尺寸约0 1mm以上)现象。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,而有些工艺过程如冲裁、切削等则利用韧性断裂完成加工过程,因此准确预测构件内部和表面韧性破坏发生的时间和位置对于金属塑性成形过程中工艺制定和模具设计具有重要的意义。自20世纪60年代以来,国内外学者对金属韧性断裂现象从宏观和细观两方面进行了比较深入系统的研究

[1-6]

与材料性质、成形过程和应力应变状态等诸多复杂因素有关[7-8],因此针对具体实际成形过程正确的选用准则和设定阈值并预测起裂的时间和位置并非易事。

本文以常用45钢为材料,采用不同形式的试件进行了拉伸、压缩、剪切、扭转等材料实验,对工程中广泛使用的11个采用宏观物理量表达的韧性断裂准则进行对比研究,利用商业化金属塑性成形模拟专业软件Deform对实验过程进行二维和三维情形的数值模拟,并对这些准则在金属塑性成形过程中适用的范围进行深入的讨论。

,并提

出了10余种基于不同物理量的韧性断裂准则,这些准则大都采用阈值控制的方法,即材料超出所设定的阈值就认为发生起裂,由于这些准则和断裂阈值

收稿日期:2009 08 25;修订日期:2009 12 24基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875156)作者简介:虞 松(1967-),男,博士,副教授电子信箱:yusong@sdu edu cn

1 材料大变形本构关系实验确定

由于热处理等条件的不同,即使同一牌号的金属材料其力学性能差异也很大,为准确确定实验材料在大变形过程中应力应变的本构关系,首先进行材料的拉伸和实心圆轴扭转实验:45钢原始坯料未经热处理,试件尺寸均采用国家标准制作,直径