基于晶体塑性理论和XFEM的高强铝合金构件损伤机理研究

广泛应用于航空航天的高强铝合金构件的使用寿命由其微观组织在外载作用下的变形、损伤演化和最终的破坏过程所决定,因此高强铝合金结构件的损伤演化机理一直是工程与材料科学领域研究的热门课题。以往研究大多从宏观尺度出发，未考虑第二相粒子、织构等细观结构对损伤演化的影响。本项目以晶体塑性理论和扩展有限元(XFEM)为基础，建立微空洞、微裂纹演化的3D晶体细观模型，为高强铝合金构件的损伤演化研究赋予真实的几何形象和物理过程，而XFEM的引入又避免了常规有限元计算复杂、效率低的问题。项目利用定向凝固技术简化晶粒组织，设计铝单晶体、多晶体以及高强铝合金的损伤演化实验，同时结合理论分析与有限元模拟，从宏、细、微观三个尺度揭示铝合金构件中晶体取向、粒子形状与尺寸、织构等对损伤形核及演化的影响，在此基础上，探明有利于提高高强铝合金断裂韧性的细观结构及轧制-热处理工艺，为高强高韧铝合金构件的设计及加工提供依据。

本项目以晶体塑性理论和扩展有限元(XFEM)为基础，建立微空洞、微裂纹演化的3D晶体细观模型。项目结合理论分析与有限元模拟，从宏、细、微观三个尺度揭示铝合金构件中晶体取向、粒子形状与尺寸、织构等对损伤形核及演化的影响，分析高速冲击载荷下高强铝合金损伤及组织演化情况。主要工作如下：.1、通过建立包含铝合金晶界和基体材料的3D有限元模型，采用扩展有限元法模拟了拉伸过程中晶界裂纹的扩展情况，分析了粒子形状、粒子大小、基体材料屈服强度、晶界性能等对沿晶断裂的影响。模拟研究结果表明：单向拉伸时，晶界裂纹呈近圆形向四周扩展；PFZ可以减小晶界附件的应力集中，因此高强铝合金的断裂应变随着PFZ宽度的增加而增加；由于裂纹宽度方向的扩展受到长度方向的影响，因此裂纹的形状会影响裂纹扩展速度。.2、采用晶体有限元分析了常应变载荷下空洞的聚合情况，分析了晶体取向、加载条件对空洞聚合的影响。研究结果表明：晶体取向对空洞聚合的影响较大，并且在不同的加载条件下，影响作用不同；在三向加载情况下，空洞周围变形严重，软取向中空洞容易聚合；在低双向应变载荷情况下，空洞周围变形局部化不严重，由于软取向整体变形均匀，因此软取向晶粒聚合效应不明显。.3、基于CPFEM和XFEM技术，建立包含PFZ、铝合金晶界和基体材料的3D有限元模型，模拟了高强铝合金晶界上裂纹扩展情况，研究表明：PFZ的取向影响裂纹扩展方向和速度，由于各方向裂纹扩展速度不一样，圆形裂纹变得不规则；在沿晶脆性断裂中，由于软取向减小应力集中的效果比硬取向大，因而软取向的断裂应变大于硬取向；在沿晶韧性断裂中，PFZ除了减小晶界周围的应力集中，还引起变形局部化，使得软取向的断裂应变小于硬取向。.4、利用霍普金森压杆对高强铝合金进行了动态冲击压缩实验，并结合金相显微镜与透射电镜对合金在冲击变形后的微观组织进行分析。结果表明：在250～350℃的高温环境下冲击时，组织以形变带为主，同时伴随有明显的动态回复和动态再结晶。在20～150℃环境下动态冲击时，合金变形时出现了典型的绝热剪切带。随着温度降至-90℃，在绝热剪切带内出现长度较短、连续性较差的微裂纹，同时长条状第二相粒子发生不同程度的脆性断裂。