金屬塑性加工原理試題及答案-資料下載頁
2025-06-25 23:10本頁面
【正文】 五、簡述韌性損傷理論的基本內(nèi)容及其在金屬塑性成型分析中的應(yīng)用。 （20分）答：所謂損傷是指冶煉或加工工藝工程中由于載荷、溫度、環(huán)境等因素的作用，使材料的微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起微缺陷成胚、孕育、擴(kuò)展和匯合，導(dǎo)致材料宏觀力學(xué)性能的劣化，最終形成宏觀開裂或材料破壞。從細(xì)觀的、物理學(xué)的觀點來看，損傷是材料組分晶粒的位錯、滑移、微孔洞、微裂紋等微缺陷形成和發(fā)展的結(jié)果；從宏觀的、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的觀點來看，損傷又可認(rèn)為是材料內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一種不可逆的耗散過程。實際使用的金屬材料大多是多相材料，由于冶煉過程不能除盡雜質(zhì)，材料中大多含有少量的夾雜物。這些材料可以看成是基體與散布于基體內(nèi)的第二相粒子和夾雜結(jié)合而成的物質(zhì)。這些夾雜粒子和二相粒子不僅各自的成份和力學(xué)行為不同，和基體的結(jié)合程度也有很大的差異。研究表明，在一定載荷或其它外界因素作用下，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，產(chǎn)生微孔洞、微裂紋以及其它形式的微缺陷，使金屬材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這些微觀或宏觀的缺陷稱為損傷，損傷累積會導(dǎo)致金屬材料失效斷裂。損傷力學(xué)主要是以金屬物理學(xué)、材料力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等統(tǒng)一起來的觀點進(jìn)行研究的，這一學(xué)科不僅描述了損傷材料的性質(zhì)，而且也研究直到出現(xiàn)宏觀裂紋前的整個過程。在此基礎(chǔ)上可以把材料的損傷破壞和裂紋擴(kuò)展的機(jī)理統(tǒng)一起來，這就繞過了經(jīng)典斷裂力學(xué)和彈塑性力學(xué)的鴻溝，為解決有裂紋體和無裂紋體的統(tǒng)一問題提供了一條有效途徑。就研究方法而言，損傷力學(xué)可分為三大類：第一類是宏觀損傷力學(xué)。這是一種典型的場論方法，其理論基礎(chǔ)是宏觀的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)，因此又稱為連續(xù)介質(zhì)的損傷力學(xué)。它認(rèn)為損傷是材料內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一種不可逆的耗散過程。連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)在物體內(nèi)部引進(jìn)連續(xù)變化的損傷變量來表征各類損傷，利用熱力學(xué)的公式和定理以及內(nèi)變量理論，唯象地確定材料的本構(gòu)方程和損傷演化規(guī)律。它雖然需要微觀模型的啟發(fā)，但并不需要從微觀機(jī)制導(dǎo)出理論關(guān)系式，而只要求所得出的結(jié)論與現(xiàn)今對韌性破壞的理解是一致的。第二類是微觀損傷力學(xué)。微觀損傷力學(xué)更側(cè)重于物理機(jī)制的探索，它和物理學(xué)的聯(lián)系非常緊密。由于采用的分析方法相對比較復(fù)雜，計算上需要處理多點陣交互作用，因此微觀損傷力學(xué)在處理復(fù)雜問題方面遇到許多實際困難，往往只用于對復(fù)雜問題進(jìn)行定性分析。第三類是細(xì)觀損傷力學(xué)。細(xì)觀損傷力學(xué)分析方法是宏、微觀相結(jié)合的方法，這種方法是材料學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)相互滲透的產(chǎn)物，構(gòu)成所謂細(xì)觀損傷力學(xué)理論。它一方面略去了具體考察微結(jié)構(gòu)變化的物理過程細(xì)節(jié)，免去了統(tǒng)計物理學(xué)的冗長計算；另一方面又為損傷造成的宏觀有效場賦予了較為真實的幾何形象和物理過程。從細(xì)觀的觀點看，損傷是材料組分晶粒的位錯、滑移、微孔洞、微裂紋等微缺陷形成和發(fā)展的結(jié)果。這種方法在試驗基礎(chǔ)上建立反映損傷物理本質(zhì)的細(xì)觀模型，將非均質(zhì)的微觀材料進(jìn)行簡化過渡到均質(zhì)的宏觀材料，使損傷變量能夠反映比較真實的幾何圖像，其損傷演化過程不再只是抽象的方程而具有清晰的物理內(nèi)涵。細(xì)觀模型可以考慮各種類型的損傷形態(tài)和分布，研究它們之間的相互作用，預(yù)測它們的形成、發(fā)展和導(dǎo)致材料破壞的過程。細(xì)觀損傷模型具有幾何上的直觀性，邏輯上的合理性和數(shù)學(xué)上的可解性。損傷力學(xué)或連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)（Continuum Damage MechanicsCDM）主要研究材料內(nèi)部微觀缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展引起的宏觀力學(xué)效應(yīng)及最終導(dǎo)致材料破壞的過程和規(guī)律。它通過引入“損傷變量”這一內(nèi)部變量來描述含微觀缺陷材料的力學(xué)效應(yīng)，即受損材料的力學(xué)行為，以便更好地預(yù)測材料的變形、破壞和使用壽命等。連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)的分析過程如下圖所示，圖5 連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)的分析過程韌性損傷理論在金屬塑性成型分析中的應(yīng)用：細(xì)觀損傷力學(xué)是在實驗的基礎(chǔ)上建立反映損傷物理本質(zhì)的細(xì)觀模型，將非均質(zhì)的微觀材料進(jìn)行簡化過渡到均質(zhì)的宏觀材料，直接從材料損傷 的原因出發(fā)，將本構(gòu)關(guān)系建立在對材料細(xì)觀分析的基礎(chǔ)上。在金屬塑性加工中，如板料的拉深、彎曲、脹形，以及金屬剪切、體積成形、超塑性成形等，不可避免地會因為大變形而產(chǎn)生損傷。對大部分塑性成形加工而言，應(yīng)抑制損傷的產(chǎn)生與發(fā)展，提高材料的變形能力；而對分離工序，如金屬剪切，則應(yīng)創(chuàng)造合適的斷裂條件，以保證獲得良好的斷面質(zhì)量。因此，從細(xì)觀損傷力學(xué)出發(fā)，描述金屬材料在塑性 加工過程中的損傷現(xiàn)象如微裂紋形成及擴(kuò)展過程等，分析材料損傷斷裂原因，預(yù)測受損材料壽命對金屬塑性加工具有十分重要的意義。在金屬塑性加工中，對大部分塑性成形工序，應(yīng)抑制損傷的產(chǎn)生與發(fā)展，以提高材料的變形能力；對分離工序，應(yīng)創(chuàng)造合適的斷裂條件，以保證獲得良好的斷面質(zhì)量。細(xì)觀損傷力學(xué)在金屬塑性成形中的應(yīng)用廣泛，利用細(xì)觀損傷力學(xué)理論分析了材料細(xì)觀裂紋的形成過程以及材料損傷斷裂的原因，解決實際工程問題。14
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