AZ31B鎂合金準(zhǔn)靜態(tài)拉伸斷裂準(zhǔn)則

廖解放，劉 洋，景 崢

(西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

AZ31B鎂合金準(zhǔn)靜態(tài)拉伸斷裂準(zhǔn)則

廖解放，劉 洋，景 崢

(西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，通過板材的無缺口拉伸試件和缺口拉伸試件，研究了AZ31B鎂合金在室溫下的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能。結(jié)合數(shù)值模擬分析了各試件拉伸過程，解釋了缺口處的斷裂失效原理，獲得了應(yīng)力三軸度與斷裂應(yīng)變的關(guān)系，擬合得到了AZ31B鎂合金準(zhǔn)靜態(tài)拉伸斷裂準(zhǔn)則。

AZ31B鎂合金；缺口試件；數(shù)值模擬；斷裂行為

0 前 言

鎂合金作為一種輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料,其應(yīng)用領(lǐng)域正在日益擴(kuò)大。材料的失效破壞研究對(duì)于工程材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。斷裂準(zhǔn)則是分析材料塑性變形、破壞失效過程的重要理論基礎(chǔ)與前提，而塑性變形引起的延性斷裂極大地依賴于應(yīng)力三軸度[1-2]。因此，研究鎂合金斷裂應(yīng)變與應(yīng)力三軸度的關(guān)系，對(duì)建立其斷裂準(zhǔn)則以及研究鎂合金塑性變形及失效行為有著理論研究和實(shí)際應(yīng)用的意義。

近年來，有限元數(shù)值模擬方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。Kumar J等[3]建立了鈦合金IMI-834在多向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的破壞準(zhǔn)則，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了該準(zhǔn)則的正確性。林莉等[4]修改了結(jié)構(gòu)鋼Q235的Johnson-Cook失效模型中的溫度軟化項(xiàng)，并結(jié)合數(shù)值模擬標(biāo)定了相關(guān)模型參數(shù)。對(duì)于鎂合金材料，賈東等[5]建立了鎂合金MB2高應(yīng)力三軸度范圍的失效破壞準(zhǔn)則，并從微觀損傷機(jī)理解釋了鎂合金MB2的宏觀斷裂行為。以上研究表明，應(yīng)力三軸度對(duì)金屬材料的塑性變形和斷裂行為有很大的影響。

本文通過板材的無缺口以及缺口4類試件，研究了AZ31B鎂合金在室溫下的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能，分別根據(jù)4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合ABAQUS有限元數(shù)值模擬解釋了缺口處的斷裂失效原理，獲得了應(yīng)力三軸度與斷裂應(yīng)變的關(guān)系。

1 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

AZ31B鎂合金是目前應(yīng)用較廣的鎂合金材料。本文從同一塊1 mm厚的AZ31B鎂合金軋制板材的縱向切割試件，圖1為各試件尺寸。試驗(yàn)在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)拉伸速度控制為5 mm/min。每種試件均進(jìn)行3組有效試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

a 無缺口試件；b 缺口試件

圖2給出了各試件斷裂前后的形式，其中無缺口拉伸試件在45(°)發(fā)生剪切破壞，且其斷口形貌顯得比較粗糙。由于試件發(fā)生脆性斷裂，所以未出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象；各種缺口試件均發(fā)生正斷，宏觀上斷口較為平直。但斷口邊緣處均有鍋齒形特征，斷口表面粗糙，同樣未看到明顯的頸縮現(xiàn)象。

a 斷裂前的試件；b 斷裂后的試件

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬

2.1 載荷—位移曲線

圖3給出了各試件的載荷—位移曲線，缺口半徑R增大，意味著應(yīng)力三軸度減小，試件斷裂時(shí)的伸長(zhǎng)量隨著缺口半徑的增大而增大，說明AZ31B鎂合金的延性隨著應(yīng)力三軸度的減小而增大。

1 無缺口； 2 R=6； 3 R=12； 4 R=25

2.2 數(shù)值模擬

將AZ31B鎂合金材料特性參數(shù)以及試驗(yàn)測(cè)得的真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變輸入到ABAQUS中，采用試驗(yàn)相同的加載方式，模擬各試件拉伸過程。經(jīng)過數(shù)次調(diào)整參數(shù)，得到相對(duì)接近的曲線，圖4給出了無缺口試件試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的載荷—位移曲線，兩者之間較為吻合，說明此時(shí)可以通過數(shù)值模擬獲得試件的斷裂應(yīng)變。

無論是無缺口試件還是缺口試件，最大等效應(yīng)力都集中在試件最小截面的中心，即應(yīng)力三軸度最大，塑性金屬材料基本會(huì)從此處開始失效直至斷裂，因?yàn)榇颂幍奈⒖锥蠢鄯e損傷程度最大，而離中心稍遠(yuǎn)處的等效應(yīng)力趨于均勻。

1 試驗(yàn)曲線； 2 ABAQUS曲線

3 斷裂應(yīng)變與應(yīng)力三軸度的關(guān)系

3.1 斷裂準(zhǔn)則及其參數(shù)

3.1.1 Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則

Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則是目前應(yīng)用較廣的失效準(zhǔn)則，其中斷裂應(yīng)變?chǔ)舊寫成如下形式：

εf=[D1+D2exp(D3σ*)](1+D4lnε*)(1+

D5T*)

(1)

忽略應(yīng)變率和參考溫度的影響，斷裂應(yīng)變與應(yīng)力三軸度的關(guān)系可寫成：

εf=D1+D2exp(D3σ*)

(2)

式中，εf為斷裂應(yīng)變，σ*為應(yīng)力三軸度，D1～D5均為材料常數(shù)。此時(shí)εf和σ*為變量，通過3組有效的變量即可獲得參數(shù)D1～D3。

3.1.2 斷裂應(yīng)變與應(yīng)力三軸度

應(yīng)力三軸度σ*和斷裂應(yīng)變?chǔ)舊分別寫成：

(3)

εf=ln(A0/Af)

(4)

式中，σH為靜水壓力，σe為Mises等效應(yīng)力，σ1、σ2、σ3為三向主應(yīng)力，A0為原始最小橫截面積，Af為斷裂時(shí)斷口區(qū)域橫截面積。

3.2 斷裂準(zhǔn)則的標(biāo)定

將數(shù)值模擬得到的Af值代入公式(4)求取斷裂應(yīng)變，應(yīng)力三軸度則根據(jù)公式(3)求取，表1總結(jié)了4種試件的應(yīng)力三軸度對(duì)應(yīng)的斷裂應(yīng)變。對(duì)應(yīng)力三軸度大于0.395的部分，借助Origin軟件，用Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則擬合得到D1=-0.152、D2=0.489、D3=-1.392；對(duì)應(yīng)力三軸度小于0.395的部分，采用線性函數(shù)進(jìn)行擬合。最終得到圖5所示的擬合曲線。

表1 繪圖參數(shù)

1 模擬數(shù)據(jù)； 2 擬合曲線

因此，在忽略應(yīng)變率和溫度的影響時(shí)，AZ31B鎂合金板材的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸斷裂準(zhǔn)則為：

4 結(jié) 論

1) 本文研究得到了室溫條件下AZ31B鎂合金板材的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸斷裂準(zhǔn)則：

2) 隨著應(yīng)力三軸度的增大，AZ31B鎂合金的延性逐漸減小，斷裂應(yīng)變則先增大后減小。

3) 無缺口試件應(yīng)力狀態(tài)以及局部塑性變形未受到明顯影響，試件只存在軸向拉伸應(yīng)力；無論是無缺口試件還是缺口試件，由于微孔洞損傷累積效應(yīng)，基本都從最小截面中心處發(fā)生正斷。

[1] Mirza M S, Barton D C, Church P. The effect of stress triaxiality and strain-rate on the fracture characteristics of ductile metals[J]. Journal of Materials Science, 1996, 31(2): 453-461.

[2] B?rvik T, Hopperstad O S, Dey S, et al. Strength and ductility of weldox 460E steel at high strain rates, elevated temperatures and various stress triaxialities[J]. Engineering. Fracture Mechanics, 2005, 72(7): 1071-1087.

[3] Kumar J. Stress triaxiality effect on fracture behavior of IMI-834 titanium alloy: Amicromechanics approach[J]. Materials and Design, 2009(30): 1118-1123.

[4] 林莉, 支旭東, 范鋒, 等. Q235B鋼Johnson-Cook模型參數(shù)的確定[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2014, 33(9): 153-158.

[5] 賈東, 莫軍, 黃西成, 等. 鎂合金MB2在高應(yīng)力三軸度下的拉伸破壞行為研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2016, 31(1): 87-95.

Quasi-static Tensile Fracture Criterion of AZ31B Magnesium Alloy

LIAO Jie fang, LIU Yang, JING Zheng

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan621010,China)

With a universal test-machine, the author studied AZ31B magnesium alloy of quasi-static mechanical properties at room temperature, trying board of notched tension specimens and notched tension specimens. Numerical simulation analysis of the drawing process will explain the principles of fracture failure of gap and obtain stress triaxiality in the end. Fracture strain relationships have also obtained a quasi-static tensile fracture criterion of AZ31B magnesium alloy.

AZ31B magnesium alloy; Notched specimens; Numerical simulation; Fracture behavior

2017-03-03

西南科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510619027)

廖解放(1992-)，男，四川人，在讀碩士研究生，研究方向：鎂合金材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，手機(jī)：15228721331，E-mail：1296652324@qq.com；通訊作者：劉洋(1994-)，男，河南人，在讀本科生，研究方向：鎂合金材料數(shù)值模擬.

TG376

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.029