發(fā)布時間：2019-01-06 05:27

【摘要】：隨著5083鋁合金在制造業(yè)中廣泛的應用,尤其高速列車和船舶行業(yè)的發(fā)展,要求對其在高速碰撞、大塑性變形等條件下具有良好的力學性能。同時,材料的屈服應力、加工硬化率等參數(shù)也必然會在不同加載速率、溫度等條件下發(fā)生改變。因此,研究分析5083鋁合金在動態(tài)載荷下相關(guān)力學性能,對工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和碰撞問題的數(shù)值計算有著重要意義。本文通過MTS材料試驗機、INSTRON動態(tài)材料試驗機和分離式霍普金森試驗系統(tǒng),針對5083鋁合金材料進行準靜態(tài)實驗以及中、高應變率加載下的力學拉伸和壓縮實驗,實驗得到了在較寬應變率(2×10-/s-7×103/s)下的5083鋁合金應力應變曲線。實驗結(jié)果表明：該材料在同一實驗條件下所得到的應力應變曲線,其強化階段的拉伸曲線總是低于壓縮曲線。不同應變率下的拉伸和壓縮在不同加載情況下的屈服應力基本相同,并且屈服應力隨著應變率不同而有所變化,當加載應變率低于10/s時,材料的屈服應力呈現(xiàn)出負應變率效應,之后隨著應變率的升高,屈服應力呈現(xiàn)出正應變率效應。進入屈服階段之后有著較明顯的冪率形式的應變硬化規(guī)律,加工硬化率隨著應變率有所降低,呈典型的FCC金屬特征�；�于以上實驗結(jié)論,本文歸納總結(jié)了近年來各種可用于描述5083鋁合金沖擊實驗本構(gòu)關(guān)系的模型,針對描述5083鋁合金的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系最常用的Johnson-Cook模型(JC模型)進行改進,由于該模型并沒有考慮到細觀層面的損傷機理,通過分析了該類材料的動態(tài)損傷機理,并結(jié)合延性金屬的損傷理論和微觀斷裂機理方面的研究,對5083鋁合金動態(tài)軟化現(xiàn)象在理論機理上進行了合理解釋,并引入本構(gòu)方程。通過實驗曲線與所得模型曲線的對比,擬合良好,表明該模擬具有很好的適用性。該研究能夠?qū)υ摬牧系墓こ虘�用提供有效的科學依據(jù)、分析模型和必要的參考。研究過程中發(fā)現(xiàn),原有的Johnson-Cook本構(gòu)模型雖然形式簡單,物理參數(shù)較少,但由于此模型屬于半經(jīng)驗半物理型的本構(gòu)模型,缺點在于對加工硬化率隨應變和應變率增加或者減少的力學行為描述不足。因此,本文對多晶FCC材料在寬應變率下的塑性流動行為進行了系統(tǒng)的分析,討論5083鋁合金在寬應變率下的反常屈服行為和加工硬化率降低的實驗現(xiàn)象,產(chǎn)生以上現(xiàn)象的變形機制為兩相合金元素在不同應變率下的競爭結(jié)果�；�于位錯動力學概念及熱激活理論,并結(jié)合合金元素對金屬的強化機制,引入Copley和Kear的強化模型,重構(gòu)了Zerilli-Armstrong本構(gòu)模型,通過對實驗曲線和擬合結(jié)果的比較,證實該模型較Johnson-Cook本構(gòu)模型有著更好的擬合效果。通過實驗曲線和模型所得曲線的對比,該模型擬合良好,表明此模型具有更好的預測此類材料的塑性流動應力的能力。
[Abstract]:With the wide application of 5083 aluminum alloy in manufacturing industry, especially the development of high-speed train and ship industry, it is required to have good mechanical properties under the condition of high speed collision and large plastic deformation. At the same time, the yield stress, work hardening rate and other parameters will change under different loading rate and temperature. Therefore, it is of great significance to study and analyze the mechanical properties of 5083 aluminum alloy under dynamic load for the design of engineering structures and the numerical calculation of impact problems. In this paper, by means of MTS material testing machine, INSTRON dynamic material testing machine and split Hopkinson test system, the quasi-static test and mechanical tensile and compression tests of 5083 aluminum alloy under medium and high strain rate loading are carried out. The stress-strain curves of 5083 aluminum alloy were obtained at a wide strain rate (2 脳 10-/s-7 脳 103 / s). The experimental results show that the stress-strain curves obtained under the same experimental conditions are always lower than the compression curves in the strengthening stage. The yield stress of tension and compression under different strain rates is basically the same under different loading conditions, and the yield stress varies with the strain rate. When the strain rate is less than 10 / s, The yield stress of the material shows a negative strain rate effect, and then with the increase of the strain rate, the yield stress presents a positive strain rate effect. After entering the yield stage, there is a more obvious law of strain hardening in the form of power rate, and the work hardening rate decreases with the strain rate, which is typical of FCC metal. Based on the above experimental results, this paper summarizes various models that can be used to describe the constitutive relations of 5083 aluminum alloy in impact tests in recent years, and improves the Johnson-Cook model (JC model), which is the most commonly used model to describe the dynamic constitutive relations of 5083 aluminum alloy. Because the damage mechanism of meso-level is not taken into account in this model, the dynamic damage mechanism of this kind of material is analyzed, and the damage theory of ductile metal and the microscopic fracture mechanism are studied. The theory and mechanism of dynamic softening of 5083 aluminum alloy were explained and constitutive equation was introduced. The comparison between the experimental curve and the model curve shows that the simulation has good applicability. The research can provide effective scientific basis, analysis model and necessary reference for the engineering application of the material. In the course of the study, it is found that the original Johnson-Cook constitutive model is simple in form and few in physical parameters, but it belongs to the semi-empirical and semi-physical constitutive model. The drawback is that the mechanical behavior of work hardening rate increases or decreases with strain and strain rate. Therefore, the plastic flow behavior of polycrystalline FCC materials at wide strain rate is systematically analyzed, and the abnormal yield behavior of 5083 aluminum alloy at wide strain rate and the experimental phenomenon of reducing work hardening rate are discussed. The deformation mechanism of the above phenomenon is the result of competition of two-phase alloy elements at different strain rates. Based on the dislocation dynamics concept and thermal activation theory, combined with the strengthening mechanism of alloy elements, the strengthening model of Copley and Kear is introduced to reconstruct the constitutive model of Zerilli-Armstrong. The experimental curves and fitting results are compared. It is proved that this model has better fitting effect than Johnson-Cook constitutive model. By comparing the experimental curve with the curve obtained from the model, the model is fitted well, which indicates that the model has a better ability to predict the plastic flow stress of this kind of material.
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21

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本文編號：2402402