金屬薄板介觀尺度成形極限建模與實驗研究.pdf

1、具有微細特征的金屬薄板件在燃料電池、微散熱器、微反應器等產品中有著廣泛的應用。隨著特征尺度的降低，微細成形工藝中出現(xiàn)了有別于傳統(tǒng)加工的尺度效應現(xiàn)象：薄板材料易產生不均勻變形和過早的應變集中，成形極限出現(xiàn)明顯的下降趨勢且重復性變差，斷面失效模式也發(fā)生明顯變化。采用傳統(tǒng)的薄板成形極限預測模型難以考慮尺度效應的影響，預測得到的成形極限與實際不符，所設計的工藝參數(shù)往往落在可成形窗口外，導致成形零件廢品率高。
　　本文圍繞介觀金屬薄板成形極

2、限的精確預測，通過金屬薄板微細成形極限Holmberg和Marciniak實驗，探索了尺度效應對成形極限的影響規(guī)律；引入細觀損傷力學方法建立了考慮孔洞演化的介觀成形極限預測模型，分析了尺度效應對薄板韌性失效行為的作用過程和機理，揭示薄板韌性失效行為的尺度效應；基于所建立的微細成形極限預測模型，進行了微細流道的可成形性研究并開展了燃料電池極板樣件的工藝優(yōu)化設計。本文的研究主要集中在以下幾個方面：
　　1)金屬薄板成形極限尺度效應的研

3、究
　　針對薄板成形極限中的尺度效應問題，基于Marciniak和Holmberg實驗方法，采用了基于數(shù)字圖像相關（DIC）方法的應變測量程序，建立了介觀金屬薄板成形極限測量實驗系統(tǒng)。在此基礎上對不同厚度及晶粒尺度金屬薄板的成形極限進行實驗研究，分析了成形極限中存在的尺度效應現(xiàn)象：隨著厚度晶粒比的降低板料可成形性逐漸下降并且重復性明顯變差，通過斷面分析發(fā)現(xiàn)，尺度效應對孔洞演化和韌性斷裂形式都有顯著影響。
　　2)金屬薄板成形

4、極限失效機理分析
　　為了揭示尺度效應影響下薄板在塑性變形過程中發(fā)生韌性失效的機理，從不同的材料失效理論（Swift分散性失穩(wěn)/Hill集中性失穩(wěn)準則，M-K模型，韌性斷裂準則，細觀損傷模型）出發(fā)，預測了薄板的成形極限。一方面與實驗結果進行對比，討論不同失效準則的精度和適用范圍，另一方面從模型的建模思路出發(fā)，分析模型描述的失效過程能否反映尺度效應影響下的韌性失效行為。通過研究發(fā)現(xiàn)細觀損傷模型能夠揭示材料韌性斷裂中的損傷形核長大以至

5、缺陷形成整個過程的機理，能夠直觀合理的描述尺度效應對失效過程的本質影響。
　　3)考慮尺度效應的薄板成形極限預測建模
　　在揭示薄板失效行為尺度效應規(guī)律基礎上，為了實現(xiàn)介觀薄板成形極限的精確預測，基于細觀損傷力學理論和材料表面層模型，研究了介觀成形中尺度參數(shù)變化對薄板材料損傷形核、長大以至連接失效的影響，通過引入厚度晶粒比尺度因子反映尺度效應的影響，建立了考慮尺度效應的金屬薄板失效損傷模型。利用ABAQUS軟件的VUMAT用

6、戶子程序將損傷模型嵌入到有限元方法中，定量分析了尺度效應對損傷參數(shù)的影響規(guī)律，進而建立了考慮尺度效應的成形極限預測模型。在此基礎上對不同條件下的成形極限進行了預測分析，結果表明有限元結果與不同尺度下的實驗結果吻合，驗證了該模型的精確性。
　　4)薄板微細成形工藝實驗研究
　　以介觀尺度成形極限預測模型為評價方法，指導實際薄板微細成形工藝設計。首先開展了薄板微細結構內高壓成形工藝過程的仿真和分析，驗證了模型在介觀薄板成形工藝失

7、效預測中的精確性；在仿真分析過程中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)模型對成形極限的高估是造成燃料電池金屬極板高廢品率的主要原因；以考慮尺度效應的成形極限預測結果為指導進行了燃料電池極板樣件的工藝優(yōu)化設計，并開展了極板試樣的內高壓成形實驗。
　　本文針對金屬薄板成形極限中的尺度效應，圍繞薄板成形極限尺度效應分析、薄板成形極限失效機理分析、考慮尺度效應的成形極限預測建模、微細成形工藝實驗四方面進行了詳細的研究。本文的研究將為微細條件下的材料失效分析和微細薄板