板材成形过程中的断裂位点

第1页板材成形过程中的断裂位点:综述M.BeatrizSilva1•KerimIsik2•A.ErmanTekkaya2•PauloA.F.Martins1摘要：板材成形过程中的断裂通常发生韧性断裂,很少为脆性断裂,操作温度和负载率是典型的过程在两个不同的模式:（1）拉伸（2）平面剪切（分别是断裂力学中相似的模式Ⅰ和Ⅱ）。在特殊情况下识别每个模式将发生的塑性流动和韧性损伤通过一种分析法描述断裂位点在平面应力条件下来考虑各向异性。断裂轨迹的特点是通过断裂形成极限线和剪切断裂形成的极限线组成断裂极限图。实验采用单点增量成形和形成双缺口试样加载拉力，扭转力和平面剪切力支持演示，可以确定1毫米厚AA1050-H111铝片的断裂位点。韧性断裂和极限断裂研究从比较在截断圆锥形部分由单点增量成形和形成双缺口试样加载拉力得到的断裂试验值之间的关系。关键词：板材成形；断裂；断裂成形极限图1引言成形能力是板材成形中设置在转给板坯不会被起皱，颈缩或断裂的变形量的极限。Marciniak是第一个考虑把起皱成形极限，颈缩成形极限和断裂成形极限纳入主应变空间的研究人员（图1a）.起皱成形极限位于第二象限左下侧部分，并受多种因素的影响如材料的机械性能,金属板的几何形状，工具的接触条件和应力与应变水平。把这些因素组合成一般的标准来影响调查特定的板材成形过程是困难的。Kim和Yang，例如，提供了已发表一份文献的全面概述，并提出了一种基于能量准则来确定起皱的各种金属板材成形过程，如圆柱形，球形，椭圆形的深冲。颈缩成形极限的特点是一个“V”形曲线[指定为成形极限曲线（FLC)]]表明外观问题和早期断裂源于局部区域变薄可能在金属部件的变形量。当在主应变空间实验绘制演示不同的加载路径平面应力时，局部颈缩发生的应变轨迹被称为极限成形图(FLD)，它最初是根据Keelerde拉力-拉力区域和Goodwin延伸的拉力-压力区域提出的。在拉力-压力（左）象限，平面应力塑性理论预测一对平面应变在扩散和发生局部颈缩和主要加载轴发生局部颈缩的角度。在拉力-拉力象限，理论上说颈缩扩散将会发生，但是没有连续的理论解释实验中通常由垂直的最大拉应变形成局部颈缩的发生。这导致Marciniak和Kuczynski假定存在局部变薄区域中发生颈缩。通过断裂成形极限由两条曲线（指定为断裂位点）相交于第二象限的右上部分和限制应变加载条件下引发裂纹。在Marciniak的最初观点，断裂由平面第2页或平面外（厚度方向）的剪切力引起，但根据作者所知，这种假设和相应的断裂位点描绘在图1a中没有伴随任何的现象模型或实验证据。图1金属板材成形在主应变空间的成形极限：aMarciniak的幻想；b成形极限曲线（FLC）和断裂成形极限线（FFL）的示意图颈缩和断裂的成形极限的关系示意图绘制在图1b，典型的应变加载路径经历急剧变化向平面应变变形后的FLC（参考加载路径OABC和ODE）。这是因为颈缩后，金属的厚度变小开始颈缩和平面应变在纵向上扩展。因此，FLC的可能被视为在所有平面应变加载路径发生急剧变化，因为之前所有的加载路径成为平面应变轨迹（02d）。Atkins表明最主要的断裂轨迹从左到右是和两个条件有关系的，减少厚度的临界量和由McClintock研究和提出图示一条斜率为-1的直线（指定为断裂成形极限线（FFL））的韧性断裂准则。McClintock的韧性断裂准则的工作是基于应力三轴比例rH=r(定义为平均有效应力)的比值,是已知的在基于孔隙增长模型金属成形分析中发挥重要作用。在同一年，Muscat-Fenech等人，由相关的FFL与Ⅰ型断裂韧性和得出结论，相对应FFL的断裂轨迹是由拉力引起的开裂代替由平面剪切引起的开裂（断裂力学模式III），这最初是Marciniak提出的。自1990年代中期以来，有几种可供选择的建议关于断裂成形极限。特别是Wierzbicki等人的工作，结合三维度应力/H提出了新的断裂模型洛德角参数和偏应力与相关材料的拟合程序建立在主应变空间和有效应变的断裂与应力三维空间的替代形状。第3页图2断裂的成形极限线（FFL）a和平面面剪切断裂成形极限线（SFFL）b在主应变空间的示意图最近，Isik等人，提出了一个关于金属板材断裂成形极限的新设想，Atkins发现在FFL通过引入一个平面剪切断裂形成限制线(SFFL)的基础上的临界值变形γ和最大允许塑性剪切工作单位体积d在断裂的发生。这一新的设想是在分析框架下被支持的，由旨在塑料溢流和韧性损伤方面出现开裂的情况下提供了理解和实验的分析框架主要集中在断裂应变的测定。这些来自分析框架的图纸是最近由Isik等人提出的，这表明金属板料成形过程中塑性流动和失败的结果之间断裂力学模式I和II之间的竞争结果，通过广泛的实验测试，确定AA1050-H111铝片的断裂轨迹，包括在双缺口试样上的拉伸，扭转和平面剪切和在截断圆锥形部分与几何椎体实验的单点增量成形。在模型Ⅰ开裂施加拉力的双缺口试样和SPIF的截断锥部分两者的关系被利用来讨论一些理由，为什么FFLs（或SFFLs）代替FLCs应该考虑材料性能。2原理工作温度和负载率是金属板材成形的典型工序，断裂通常发生韧性断裂，而不是脆性断裂，2个不同的开口模式：（1）拉伸和（2）平面剪切（分别为Ⅰ和Ⅱ断裂力学）。这种情况下为种模式都会发生塑性流动和显微组织韧性损伤，既在分析框架下断裂位点中平面应力的各向异性。2.1拉伸断裂第4页不考虑颈缩前的初始加载历史，发生拉伸断裂大约在恒定厚度方向真实应变3f对应的恒定断裂减少厚度fR的百分比既00/tttf，其中0t是金属的初始厚度，ft是断裂的厚度。这断裂减少的厚度fR和3f的关系是ffRlln3。在塑性流动期间由于体积恒定0321fff，这表明FFL在主应变空间中是一条斜率为-1从走到右下降的直线（参考图2a中的恒定fR的直线）。图2a也显示了2条成比例的加载路线（OC和OF）,分别相当于单向拉伸和等轴双向拉伸到断裂点C和F。为了简化表示，断裂的加载路线都是线性的，没有经过方向的改变，在平面应变的条件下期望通过FLC（参考图1a）.考虑到修改有效应变断裂准则K，意为无量纲的函数建立在流体力H有效应力的三维应力/H，可以编写以下损伤准则：dDHCRITf0（1）这个准则与McClintock初始数据有关系，它的临界值dlDcritln根据微观孔隙参数既孔间距l（包括颗粒）与孔（颗粒）的平均直径的关系制定（图2a）.Martins等人，采用Hill1948的各向异性屈服准则和假设旋转对称的各向异性构成等式rrr，其中r是正常的各向异性，它可以修改方程（1）为一个发生断裂时有关主要和次要的平面应变ff21,的函数，其中21dd的斜率是一般比例应变路径。从式（2）中破坏准则critD的临界值定义为一条斜率为-1从左向右下降的直线，其与FFL相似靠近，和断裂时的临界厚度降低的情况。ffcritrdrDf2110311311（2）第5页从方程（2）中发现了额外三个结论。首先，BA是被积函数，这意味着恒定应变率的损失函数，在加载路径中是独立的。这种情况由Atkins和Mai论述证明为什么应变加载路径在图2中被假定为线性。其次，在公式（2）的极限下限是0而不是0，相应的情况是在临界应变值0以下损伤没有积累，FFL偏离了直线并呈现“向上弯曲”在图2a中庸虚实线示意表示。再次，在模型Ⅰ中结合FFL和韧性断裂的关系，最初由Muscat-Fenec提出，上述提及的结论关于厚度临界变形量fR和韧性损伤临界值critD在断裂变形中是常数和独立，因此，FFL是相对于FLC，取决于应变加载路径的材料特性。2.2剪切断裂在由平面剪切（断裂力学模式II）引起开裂的方面，它是中重要的去理解直线321和，从左到右上升和相对应平面变形12最大值在莫尔圆内的斜率+1与FFL垂直（图2b）.平面扭曲12（以下称）是由平面剪切应力12（以下称）引起的，因此，平面剪切断裂轨迹（SFFL）与一条斜率为+1的直线重合是可能的，其中在平面应变和扭曲的主要和次要在断裂取临界值Yfff,21f（图2b）.因此，如果权重函数修正的有效应变的累积值，直到断裂f在应变加载路径函数为面内剪切应力比代替了三轴应力比H可以去定义以下损伤准则ffSritrrdrrDff21100c21121121121（3）从（3）式中的平面损伤临界值的剪切SDcrit，沿着一条直线从左向右上升斜率等于+1随着SFFL临界变形f的条件。通过下面类似的过程FFL在公式（3）的积分下限是0，也可以得出这样的结论:SFFL偏离直线，在图2a中呈向上弯曲的虚实线。第6页3实验3.1材料的机械特性研究厚度为1毫米的AA1050-H111铝合金板。在室温下测试材料的机械特性，即在INSTRON4507万能试验机进行拉伸试验。试验遵循ASTM标准E8/E8M，和由此产生的平均应力应变曲线与下面Ludwik-Hollomon的方程近似，0.04140（4）表1提供了弹性模量E、屈服强度y、抗拉强度UTS、断裂伸长率和常数r和样品切片在相对于轧制方向（RD）00090450和，进行拉伸试验中获得的平面r各向异性系数，其中90450r,和rr是在00090450和，时的各向异性系数。22,429045090450rrrrrrrr表1总结AA1050-H111铝板材的力学性能3.2韧性断裂的特征韧性断裂的特征在室温下集中于开放模式Ⅰ和利用在拉伸加载下的双缺口式样。从铝合金板AA1050-H111中切出相对于轧制方向00090450和，的试样，并在INSTRON4507万能试验机测试进行依法确定裂缝的基本工作方法，最初是由Cotterell和Reddel提出的。方向弹性模量(GPa)屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)断裂伸长率(%)各向异性系数0RD72.7115.4119.07.10.7145RD67.9120.4121.25.20.8890RD71.8123.0120.85.60.87平均值70.0119.9120.56.80.84第7页在图3中总结了在拉伸载荷下测定双缺口试样断裂韧性的方法。在图3中看到，首先拉力与位移演变一个测试用例的数量具有不同长度的C的起始裂纹尖端之间的韧带标本进行（图3a）。其次，通过将试验样品分离为2个部分的力的演变，确定了总能量W的转化，1x0FdxW（6）其中1x表示位移x在试样的韧带长度1c的距离。总能量W对应图3.b灰色区域。第三，假设总能量W被分成一个塑性变形的能量pW和需要形成新的表面裂缝的能量sW，在断裂发生的地方，单位面积的总能量可以表示如下，RcAWAWAWavmeansp4w（7）其中tcA是韧带区，mean是平均流动应力，av是塑性应变在圆柱形碎片tV4c2的平均值，塑性变形被限制在缺口之间（参考图3a的黑色区域）。符号R表示韧性断裂，它被定义为创造一个新的平面每单位面积所需要的能量。最后，因为韧性断裂的数值R很难从式（7）中分离，该技术用于测定包括推断单位面积的能量w，限制条件c的韧带长度趋于零，wlim0cR（8）在图形中，方程（8）对应于斜率等于一个包含每单位面积的总能量W与具有韧带不同长度c双击边缘缺口试样进行的所有实验中直线y的截距。上述的1毫米厚度铝AA1050-H111在室温下的韧性断裂特征见第4部分。3.3颈缩和断裂的极限成形由AA1050-H111铝板的成形极限（FLC）取决于前面提到的Nakajima拉伸试验，半球形圆顶和胀形试验。Nakajima和半球形圆顶测试是在一个灵活的工具系统，即是安装在INSTRON4507万能试验机进行了材料