考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法

本发明属于金属热塑性变形，具体涉及的是一种考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法。

背景技术：

1、金属热塑性变形过程中的损伤通常宏观上是看不见、摸不着的，同时也是不可逆的。当损伤累积到一定程度，材料就会开裂，任何预料之外的开裂都有可能在人力、物力、财力方面带来严重危害。因此，建立相应的模型对金属材料热变形过程中的损伤演化及开裂进行预测具有明显的工程意义和社会意义。

2、目前，普遍采用宏观损伤模型进行金属热塑性变形损伤开裂预测，宏观损伤模型主要包括两种模型：一种是现有的半经验模型，另一种是研究人员根据具体材料自主建立的唯象模型。

3、半经验模型本质上是一种能量累积极限的判断，即认为模型表达式中的积分项达到一个固定的临界损伤值时，材料就会失效开裂，常用的半经验模型主要包括freudenthal模型、c-l模型、normalizedc-l模型、brozzo模型等，这些模型具有形式简单，应用方便的优点。但是，因为这些模型只表达了应力状态对损伤开裂的影响，对于热变形过程中，微观组织状态、温度、应变速率等关键因素的影响均未考虑，因此上述模型并不能直接应用于热变形损伤开裂预测，需要在对临界损伤值进行标定时引入热变形影响因素。而且随变形材料的不同，各准则的适用性及预测精度并不稳定。

4、自主建立唯象模型时，大多采用对实验数据进行拟合的方法来构建变形参数与损伤现象的对应关系。其优点是针对性强，可以很好地描述某一种特定材料的损伤开裂过程。但这类模型基本没有明显的物理含义，且形式各异，适用性非常有限。一旦材料改变，模型的表达式及参数都将不能使用，不利于推广应用。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法。

2、本发明通过以下技术方案予以实现：考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，包括以下步骤：

3、s1、在热变形参数范围内，采用热力模拟试验设备对标准试样分别进行以下操作：

4、1)、单向压缩实验：获得标准压缩试样的真实应力-应变曲线，确定稳态应力、饱和应力以及动态再结晶体积分数；

5、2)、单轴拉伸实验：获得标准拉伸试样的真实应力-应变曲线，确定损伤萌生应变(拉伸应力-应变曲线峰值点对应的应变)以及断裂应变；

6、3)、先在若干标准拉伸试样上分别预制不同半径的缺口，制得缺口试样；然后对缺口试样进行单轴拉伸实验：获得缺口试样的真实应力-应变曲线，确定应力三轴度以及应力状态影响系数(热变形参数相同时，预制缺口半径的试样的断裂应变与光滑试样的断裂应变之比)；

7、s2、通过步骤s1确定的参数建立包含微观组织演变影响因素的金属热塑性变形损伤参数d0为：

8、

9、式中，k为系数，xdre为动态再结晶体积分数，为有效应力，η为应力状态影响系数，εi为损伤萌生应变，εf为断裂应变，为等效应变；

10、s3、首先，通过对商用有限元软件的二次开发，将步骤s2确定的损伤参数d0与软件主程序集成；然后，以步骤s1获得的实验数据作为模拟边界条件，使用二次开发的有限元软件对步骤s1中标准拉伸试样的单轴拉伸实验进行热变形-损伤演化同步模拟；最后，根据步骤s1中标准拉伸试样的单轴拉伸实验结果与热变形-损伤演化同步模拟结果对步骤s2中损伤参数d0进行校准，确定修正系数γ；

11、s4、根据步骤s3确定的修正系数对损伤参数d0进行修正，得到修正损伤参数d1为：

12、

13、采用修正损伤参数d1取代步骤s2中的损伤参数d0，然后重复步骤s3的二次开发过程，实现d1与主程序的集成，建立起金属热变形-损伤演化同步模拟平台，再将“d1＝1”作为失效开裂的判断条件(即当d1＝1时，认为对应材料点发生失效、试样内出现裂纹)输入二次开发的有限元软件，即可实现金属热塑性变形损伤演化及开裂预测。

14、进一步地，所述步骤s1中，热变形参数包括变形温度和变形速率，具体数值范围取决于变形金属及成形工艺。

15、进一步地，所述步骤s1中，根据缺口试样的几何尺寸计算应力三轴度rσ：

16、

17、其中，r0为缺口试样的缺口半径，a0为缺口试样的最小横截面半径。

18、进一步地，所述步骤s2中，损伤参数d0的求解过程包括以下步骤：

19、s2-1、金属热变形过程中动态再结晶和损伤演化会造成应力软化，所以首先假设存在一种既无损伤又无动态再结晶发生的理想应力-应变行为，在既定变形条件下其应力为σw；

20、s2-2、(1)、当仅有动态再结晶发生时，引起的应力软化值为：

21、δσw-t＝xdre(σs-σss)＝kxdre；

22、式中，xdre为动态再结晶体积分数；系数k＝σs-σss，σs为饱和应力，σss为稳态应力；则有效应力(对应单向压缩应力)为：

23、

24、(2)、当仅有损伤演化发生时，引起的应力软化值为：

25、

26、式中，εi为损伤萌生应变，εf为断裂应变，η为应力状态影响系数；

27、(3)、当同时存在动态再结晶行为和损伤演化行为时，引起的应力软化值为δσw-t+δσw-d，则金属热塑性变形时损伤应力(对应单轴拉伸应力)为：

28、

29、s2-3、根据等效应变假设理论，存在如下关系：

30、

31、式中，为有效应力，σ为损伤应力，d为理论损伤参数；

32、则包含微观组织演变影响因素的金属热塑性变形损伤参数d0为：

33、

34、式中，k为系数，xdre为动态再结晶体积分数，为有效应力，η为应力状态影响系数，εi为损伤萌生应变，εf为断裂应变，为等效应变。

35、进一步地，所述步骤s3中，确定修正系数γ的方法为：当既定变形条件下标准拉伸模拟试样与标准拉伸试样在断裂时刻具有相同的长度时，读取该时刻下标准拉伸模拟试样最小横截面外半径处的损伤值，以其倒数作为该组变形参数下对应的修正系数。

36、本发明的有益效果在于：

37、1.与基于具体材料的唯象模型相比，本发明提出的损伤参数表达式形式稳定，可以推广至不同金属热塑性变形过程中损伤演化及开裂预测；

38、2.与半经验模型相比，本发明中将温度、应变速率、动态再结晶程度等作为损伤参数表达式的内变量，充分考虑了金属热变形特点及其影响因素。而且，本发明中始终以d1＝1作为失效判据，使用方便，且易与有限元软件集成；

39、总之，本发明与现有模型相比，损伤参数表达式中各分项具有明显的物理意义，能够较为全面地反映金属热塑性变形、动态再结晶与损伤演化的交互作用。

技术特征：

1.考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，其特征在于：所述步骤s1中，热变形参数包括变形温度和变形速率。

3.根据权利要求1所述的考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，其特征在于：所述步骤s1中，根据缺口试样的几何尺寸计算应力三轴度rσ：

4.根据权利要求1所述的考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，其特征在于：所述步骤s2中，损伤参数d0的求解过程包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，其特征在于：所述步骤s3中，确定修正系数γ的方法为：当既定变形条件下标准拉伸模拟试样与标准拉伸试样在断裂时刻具有相同的长度时，读取该时刻下标准拉伸模拟试样最小横截面外半径处的损伤值，以其倒数作为该组变形参数下对应的修正系数。

技术总结
考虑微观组织演变的金属热塑性变形损伤开裂预测方法，属于金属热塑性变形技术领域，包括以下步骤：通过热力模拟试验对标准试样相应进行单向压缩和单轴拉伸，确定动态再结晶及损伤相关参数；在此基础上，构建含组织演变的损伤参数初始表达式；通过二次开发，将该损伤参数与商用有限元软件集成，以实现金属热变形‑损伤演化同步模拟，并完成对损伤参数的修正；重复二次开发过程，用修正后的损伤参数取代初始损伤参数并与商用有限元软件集成，形成最终的金属热变形‑损伤演化同步模拟平台；输入失效判据，即可实现金属热塑性变形损伤演化及开裂预测。本发明普适性强，损伤参数表达形式稳定、含义明确，失效判据简单统一，且易与有限元软件集成。

技术研发人员：安红萍,武建国,陈慧琴,李荣斌,何文武,焦永星,李飞
受保护的技术使用者：太原科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15