基于DIC方法的韧性断裂实验分析及金属塑性成形断裂研究

Ductile damage and fracture of metal is inevitable in shearing or blanking, and also is one of defects in forging, stamping and drawing. The experiments is necessary to investigate fracture features and critical fracture factor of material, which is vital to prediction of ductile fracture during metal forming. Quantitative description of ductile fracture has always been limited by the experiment conditions. It is hard to get the strain filed of ductile fracture region with the traditional measurement method, because the large strains distribute at a very narrow region and stain gradient is high. In present proposal, the novel optical non-contact method will be applied in strain measurement of material ductile fracture, where full strain field and the strain history can be recorded. The fracture characteristic will be described on the base of measured strain, and the corresponding fracture criteria and material constitutive parameters will be obtained. These base date are used to prediction the material ductile fracture at the complex strain and stress state. Damage-induced softening prior to crack is main feature of ductile fracture, the calibrated soften factor will be coupled into material elastic-plastic constitutive material. To investigate the warm/hot forming, the temperature will be coupling into the fracture criterion as a variable. Ductile fracture criteria and material constitutive models are integrated into finite element program to simulate the metal forming. High strength steel and aluminum alloy will be focused as experiment material, and the ductile fracture will be predicted in their metal forming.

韧性损伤断裂是金属塑性成形分离工步中材料必经的过程，成形工步中的常见缺陷之一。为了预测成形工艺中的断裂，需要通过实验测量获得材料断裂特征和材料断裂因子。对韧性断裂特征的定量描述一直受到实验条件制约，因为断裂往往集中在非常小的区域，而且应变梯度较大，传统测量方法无法直接获得应变场。本项目拟应用非接触式变形测量方法-数字图像相关（DIC）法测量韧性断裂区的应变分布，分析断裂特征，在此基础上建立合理的断裂准则和准确的材料断裂参数。韧性断裂的主要特征是材料中裂纹出现前的损伤软化，通过实验建立软化特征描述变量，并将其耦合到材料弹塑性本构关系中，通过有限元方法模拟整个韧性损伤软化和断裂过程。在断裂准则中还将引入温度变量，考虑温度对韧性损伤断裂的影响，预测热成形中的韧性损伤。建立的断裂准则和材料模型与弹塑性有限元程序结合，模拟分析高强钢和铝合金成形中的韧性断裂，优化成形工艺。

韧性损伤断裂是金属塑性加工中的常见缺陷之一，对其准确地预测一直是该领域的研究热点。针对这一问题，本项目结合数字图像相关的实验技术，研究典型金属材料的塑性变形韧性损伤断裂。主要研究内容包括：1）铝合金板料的室温和加热条件下的成形性能、韧性损伤断裂，MMC韧性断裂准则构建的实验和数值模拟，薄壁挤压型材的各向异性塑性行为；2）非关联塑性流动模型在铝合金板塑性成形和韧性断裂预测的应用；3）航空镁合金板材成形性能分析及航空座椅座板的成形。4）高强钢的热成形性能分析及飞剪工艺数值模拟；5）铜合金冲裁实验及韧性损伤过程。取得的重要结果包括：a)采用自主开发的程序，构建了应用于金属塑性成形动态应变场测试的软硬件环境，包括三维图像跟踪获取、数据采集及处理软件开发、硬件平台构件到位移和应变分析等.b)在铝合金板料成形过程中，室温和升温环境下的单向拉伸、室温环境下的杯突实验都应用了DIC进行变形跟踪，能够准确获得变形区的动态应变场，通过DIC可以反求韧性损伤区在出现颈缩前的应变状态，这为韧性断裂准则的建立提供了可靠的验证手段；应用了显微放大镜头跟踪了薄板冲裁厚度方向的断裂区，能够获得稳定而准确的动态应变场;c)在MMC断裂准则的应用方面，对各向异性、非关联流动、双分量断裂准则的构建和应用上，开发的基于Abaqus软件的二次开发用户子程序已经通过实验验证，并开发了断裂曲面、FLD、FFLD等转换的Matlab程序并通过实验验证;d)通过实验和数值模拟综合评价分析了铝合金5083-O、6061-T6、6016-T4、6060-T6、5082-O、镁合金AX41、ZA21、AZ31、高强管线钢X100、铜合金CuSn0.15的塑性成形性能、韧性损伤断裂的特征以及影响这些性能的因素，建立了适用于这些材料和变形特点的断裂准则。这些金属及合金是应用在汽车车身、航空机构、石油管道和电子工业中的基础材料，塑性成形是它们成为零部件不可获取的工艺方法，而韧性损伤是塑性成形中常见的缺陷，对它们的损伤断裂进行准确预测，可以进一步优化工艺，提高产品质量和节省材料。