陈军教授团队在金属塑性变形的屈服模型研究领域取得系列进展
2023/5/10 18:38:17
轻质高强板料(如先进高强度钢、铝合金、钛合金等)在航空航天和汽车工业等领域应用广泛，经过轧制的金属薄板常表现出明显的各向异性特性。采用宏观塑性力学模型-屈服准则描述材料的塑性流动可以为高精度数值仿真提供理论保障。随着新材料、新工艺的不断涌现，采用传统的屈服准则描述具有不同微观组织材料的宏观力学特性，仍然面临着新的挑战。上海交通大学材料学院塑性研究院陈军教授团队为解决需采用复杂插值法、外推法描述比例加载下屈服轨迹演化的难题，针对平面应变与剪切应力不协调材料、拉压屈服应力不对称材料，在国家自然科学基金项目（92160206、52175347）的资助下，分别构建了相应的解析型屈服准则，揭示了材料在塑性变形过程中的力学演变规律和流变机制。
传统屈服准则中的参数多通过单拉和等双拉实验获得，因此这些准则无法准确预测某些材料在剪切应力附近的屈服轨迹，亟需针对平面应变与剪切应力不协调材料开展屈服准则的相关研究。陈军教授团队与韩国高等科学技术研究院Jeong Whan Yoon院士和慕尼黑工业大学胡启博士合作，研究了组成完备屈服面所必须的屈服轨迹包络线，通过分析Poly6和Poly8屈服准则的构造形式，提出了参数直接由实验数据解析表达的Poly6-18p屈服准则，实现了对平面应变与剪切应力不协调铝合金屈服轨迹的准确预测以及管材内高压成形有限元精确模拟，研究成果以Analytically described polynomial yield criterion by considering both plane strain and pure shear states为题发表于塑性力学顶级期刊International Journal of Plasticity (https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103514)。
图1. 不同屈服准则对平面应变与剪切应力不协调铝合金AA6061-O力学特性预测及工程应用
近年来，针对具有明显拉压屈服应力不对称的材料，如HCP结构的镁合金、钛合金等，学术界提出了一些新的非对称屈服准则，但仍然面临着数学结构复杂、参数标定困难和预测能力不足等问题。陈军教授团队与慕尼黑工业大学胡启博士合作，基于形函数的思想，构建了全新的非对称因子来描述材料的拉压非对称屈服应力与各向异性系数，突破了传统非对称屈服准则无法描述与沿轧制方向成45o角方向的拉压屈服应力非对称的难题。由于屈服面的曲率影响着材料在平面应变状态下的屈服行为，通过引入屈服面曲率控制因子，实现了屈服面曲率的有效控制。基于所提出的屈服函数的数学形式，首次建立了解析型非对称塑性势函数用以描述拉压非对称材料在受拉和受压下的各项异性系数，解决了目前解析型塑性势函数无法同时预测受拉和受压下各向异性系数的难题。该研究为拉压非对称材料的屈服面和流变行为的演化过程提供了理论依据。研究成果以A concise analytical framework for describing asymmetric yield behavior based on the concept of shape functions为题发表于International Journal of Plasticity (https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103593)。
图2. 不同解析型屈服准则对拉压非对称材料Ti6Al4V力学特性演化预测
撰稿人：吴会平