畢業(yè)設(shè)計(jì)-文獻(xiàn)翻譯

在高壓力下的壓鑄鋁合金的斷裂DirkMohra,*,RolandTreitlerba美國(guó)麻州麻省理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)系一個(gè)影響和耐撞性實(shí)驗(yàn)室b德國(guó)慕尼黑寶馬公司有關(guān)研究性雜志獲得于2005年1月10日，2006年9月12日通過修正2007年1月23日被接受，2007年2月25日可網(wǎng)絡(luò)在線得到。摘要本文依據(jù)已經(jīng)得到的圖像，論述怎樣預(yù)測(cè)工業(yè)壓鑄合金Al–10Si–Mg–Mn在壓力下的裂紋萌生。將全新設(shè)計(jì)的扁平試樣裝在一個(gè)定制的兩向測(cè)試裝置上，該試樣加載各種剪切應(yīng)力和正應(yīng)力的組合，根據(jù)組合實(shí)驗(yàn)中接近的數(shù)值，可研究應(yīng)變從約0.0至0.6的裂紋萌生。在一個(gè)已經(jīng)校準(zhǔn)圖像斷裂判據(jù)基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)開始發(fā)生斷裂時(shí)的三向軸向應(yīng)變及最大主應(yīng)變。金相分析結(jié)果表明，導(dǎo)致硅顆粒斷裂三向軸向應(yīng)變?cè)?.25以上，而隨著鋁基中不穩(wěn)定粒子使其矩陣分層，開始形成宏觀裂紋，裂紋周圍的三向軸向應(yīng)力為0左右。關(guān)鍵詞：鋁合金；高壓壓鑄；斷裂判據(jù)；三向軸向應(yīng)力；失效機(jī)理1.前言在過去十年期間壓鑄合金和加工工藝的取得實(shí)質(zhì)性的發(fā)展（如[15,21]）。高壓壓鑄鋁或鎂合金制成的組件在各種汽車應(yīng)用中有著很多優(yōu)勢(shì)。特別是，在鑄造過程中的成本和復(fù)雜的幾何形狀的薄壁部件的可能導(dǎo)致現(xiàn)代輕型車中應(yīng)用這類材料。例子包括碰撞有關(guān)汽車車身的部件,如碰撞仿真或壓力鑄造儀表板、可以體現(xiàn)得出其很高的功能。在整個(gè)虛擬汽車開發(fā)過程中，它最重要的意義是使用可靠的模型來預(yù)測(cè)個(gè)別材料的機(jī)械力學(xué)性能。在壓力鑄造的情況下，這涉及到模型的彈塑性的反應(yīng)以及裂紋的預(yù)測(cè)。后者的特別吸引人的地方是誤用在碰撞仿真中失效的獨(dú)立部件，可能會(huì)改變車輛整體性能。在鋁或鋼制成的機(jī)構(gòu)中，經(jīng)常是根據(jù)當(dāng)前的材料縮孔率來預(yù)測(cè)斷裂。這種方法需要初始孔洞體積分?jǐn)?shù)、空洞形核（例如，[13]）以及作為金屬孔洞長(zhǎng)大是受不可逆的變形模型知識(shí)（如[18,23,8,24]）。此外，為了預(yù)測(cè)斷裂發(fā)生，必須確定臨界孔洞體積分?jǐn)?shù)，可以從直接測(cè)量或從校準(zhǔn)模型參數(shù)（如[12,16,22]）。D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–116作為對(duì)多孔可塑性的替代是根據(jù)裂縫預(yù)測(cè)，斷裂機(jī)理圖像經(jīng)常被用來預(yù)測(cè)金屬斷裂的發(fā)生（如[6,4,9]）。這些準(zhǔn)則預(yù)測(cè)裂紋的萌生基于宏觀應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)的基礎(chǔ)。由于靜水壓力強(qiáng)烈影響大多數(shù)韌性金屬的孔洞長(zhǎng)大和形核率，圖像斷裂準(zhǔn)則預(yù)測(cè)把三向應(yīng)力作為有效的塑性應(yīng)變狀態(tài)應(yīng)力。這項(xiàng)工作用來處理斷裂的壓力壓鑄件Al–10Si–Mg–Mn合金。鑒于在汽車工程中的大規(guī)模計(jì)算，我們把我們的注意力限制一個(gè)圖像的斷裂準(zhǔn)則的發(fā)展上，可配合使用的計(jì)算效率J2的塑性算法。其出發(fā)點(diǎn)是一系列兩向軸向應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)。一個(gè)專門定制的測(cè)試設(shè)備來研究新開發(fā)的扁平試樣在三向軸向應(yīng)變從0.0到0.6的裂紋萌生。隨后，進(jìn)行數(shù)值模擬，以確定在一個(gè)相對(duì)的最高主應(yīng)力-應(yīng)變平面限制形式的圖像斷裂準(zhǔn)則。此外，進(jìn)行金相分析，以深入的了解在低和高三向軸向應(yīng)力下的一些裂紋的萌生機(jī)制。2．材料我們分析一個(gè)凝固的高壓壓鑄鋁（Al）、硅（Si）、鎂（Mg）、錳（Mn）組成的合金。它的化學(xué)成分精確重量的百分比由表1給出。作者把Al–10Si–Mg–Mn的化學(xué)成分準(zhǔn)確的重量百分比列于表1。這種合金的薄壁組成部分已經(jīng)應(yīng)用真空輔助壓力鑄造工藝制造出來。所有鑄件都經(jīng)過T7熱處理，提高了對(duì)Al–10Si–Mg–Mn合金的塑韌性。用于機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試的試樣已經(jīng)從2.8至3.0毫米厚的壓鑄部件中被提?。總€(gè)鑄造件有兩個(gè)標(biāo)本）。此外，樣本提取的位置已被選定在靠近澆口系統(tǒng)。因此，試樣內(nèi)的孔洞率是相當(dāng)?shù)偷?。利用電腦斷層掃描（lCT40），我們可以確定初始的孔洞率平均在0.25%左右。2.1微觀結(jié)構(gòu)熱處理的Al-10Si-Mg-Mn合金微觀結(jié)構(gòu)是由樹突狀鋁和圍繞其周圍的共晶硅顆粒組成。在圖中光明與黑暗的地區(qū)。圖1a的分別對(duì)應(yīng)鋁基體和硅顆粒。幾個(gè)顯微組織利用數(shù)字圖像進(jìn)行了分析。該硅粒子形狀長(zhǎng)寬比范圍從0.5到0.8。樹突狀晶粒和共晶微粒的平均直徑大約分別為10微米和2微米。此外，在顯微鏡定量分析中顯示，硅粒子面積密度約10%。D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–116表1化學(xué)成分為Al-10Si-Mg-Mn高壓壓鑄鋁合金圖1(a)高壓壓鑄Al-10Si-Mg-Mn鋁合金熱處理樹突組織。硅球形共晶(暗灰色)嵌入在鋁基(淺灰色)；平均粒子:直徑1～3微米；顆粒形狀的長(zhǎng)寬比:0.5～0.8。(b)氧化皮(圖片左部的一部分)在粗糙的斷口(右側(cè))。由于他們的特征的形狀,他們很可能會(huì)充當(dāng)微裂紋。D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–1162.2單向軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線由法向和切向組合的單向拉伸測(cè)試已經(jīng)確定Al–10Si–Mg–Mn合金單向軸向應(yīng)力-應(yīng)變的曲線。為此,平的2毫米厚狗骨形試樣已經(jīng)使用；試樣截面是8毫米寬,長(zhǎng)57毫米(按照DIN50125)。真正的應(yīng)力-應(yīng)變從六個(gè)向拉伸試驗(yàn)得到的曲線圖在圖2所示。圖2曲線僅適用于高達(dá)11％的應(yīng)變繪制為縮頸，禁止超過這個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)定。為了校準(zhǔn)列維-密塞斯塑性大變形計(jì)算模型，我們利用Ludewik的函數(shù)來推斷相應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（1）真實(shí)應(yīng)變圖2Al-10Si-Mg-Mn的合金經(jīng)過T7熱處理后的真正的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。頸縮發(fā)生在工程應(yīng)變的13%處左右。最小二乘擬合后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)=33.4MPa時(shí)，K=2.566，和N=0.16（圖2）D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–1163.實(shí)驗(yàn)過程大量調(diào)查得出結(jié)論，三向軸向應(yīng)力強(qiáng)烈影響金屬材料中裂紋聚集。因此，由于新定制設(shè)計(jì)的扁平狀試樣和檢測(cè)設(shè)備組合，采用二向測(cè)試技術(shù)可以測(cè)試Al-10Si-Mg-Mn合金在大范圍的三項(xiàng)軸向應(yīng)力。3.1試樣圖3a和b顯示了試樣的前面和側(cè)面。根據(jù)一項(xiàng)關(guān)于對(duì)Al–7Si–Mg壓鑄合金斷裂表現(xiàn)的早期研究試樣的幾何形狀和試樣已被選中[20]。這個(gè)試樣有1毫米厚的薄片截面和2.5毫米厚的肩（圖3b）。內(nèi)部邊界是由試樣在厚肩和薄片之間變化形成的凹形狀，而自由邊界的薄片截面是凸的形狀。圖3(a)試樣的正面視圖;(b)試樣的側(cè)面視圖,(c)試樣的中心應(yīng)力狀態(tài)試樣較大的部件使用數(shù)控加工已經(jīng)得到。熱處理的發(fā)展，經(jīng)過可以達(dá)到全程控制加工，以防止合金的微觀結(jié)構(gòu)熱激活轉(zhuǎn)變。在測(cè)試過程中,需要一個(gè)均衡的位移場(chǎng)應(yīng)用于試樣頂部肩處(圖3a),而試樣底部的肩處的是在空間中被固定的。二向加載角度描述在頂部邊界均勻位移加載的定位。我們用（2）和分別表示沿著切向和法向的位移?？偽灰疲篋.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–116（3）如圖3c所示,試樣中心應(yīng)力狀態(tài)可由正應(yīng)力和切應(yīng)力組成。根據(jù)二向軸向應(yīng)力加載角度和方向(壓縮/緊張),可以在試樣中心的得到不同的三向軸向應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)。三向軸向應(yīng)力在試樣中分布是變化的,但由于部件特定的形狀,靠近試樣的中心最容易引發(fā)裂紋[20]。一個(gè)剛塑性列維-密塞斯材料,三向軸向壓力,即：平均應(yīng)力和密塞斯有效應(yīng)力之比,在試樣的中心可以通過以下關(guān)系被估算出[20]：(4)換句話說,當(dāng)加載角從0度增大到90度,三向軸向應(yīng)力單調(diào)上升從0到0.58拉伸加載（）,反之單調(diào)減少了從0到-0.58壓縮加載（）。3.2雙向測(cè)試設(shè)備法向和切向位移組合被應(yīng)用于使用定制雙向測(cè)試設(shè)備測(cè)試平面試樣。圖4顯示的是實(shí)驗(yàn)的照片?；顒?dòng)的部分裝置(標(biāo)記的項(xiàng)目5，9a，8a,在圖4a)沿兩條固定垂直的導(dǎo)桿(4);固定部分裝置(它由1,2,3,6,7b,8b,9b組成)是剛性連接的通用測(cè)試儀器。因此,裝置唯一所允許的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)沿垂直軸可移動(dòng)的部分。放置在試樣的活動(dòng)齒盤與固定鉗之間，一個(gè)具有同樣性質(zhì)的位移場(chǎng)可以應(yīng)用到試樣頂部邊界。加載位移的方向,比如。從加載條件的角度出發(fā),被定義為由試樣的方向?qū)x器的垂直,在測(cè)試之前通過旋轉(zhuǎn)測(cè)試試樣的支撐物調(diào)整裝置(8a,8b)。測(cè)試設(shè)備允許在二向應(yīng)力介于0到90度任何加載角度。為說明,圖4b和c顯示內(nèi)在的圓盤建立40度和90度加載度數(shù)。通過設(shè)置一套夾具，從而禁止試樣和試樣夾具鉗之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)夾具鉗用七個(gè)螺釘(型號(hào)為M5-12.9)在轉(zhuǎn)矩為9Nm下緊固。測(cè)試過程中垂直力是用一個(gè)200kN傳感器，而垂直位移的記錄是連接在可移動(dòng)的試樣支撐物線性電壓位移傳感器(項(xiàng)目8a)。D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–1163.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果16個(gè)試樣在四種不同加載組合下被測(cè)試:(1)張力在=90度,(2)張力在=40度,(3)張力在=20度,和(4)壓縮力在=25度。測(cè)量的力-位移曲線在圖5被顯示。90度加載時(shí),展示了一個(gè)線性曲線,其次是一個(gè)非線性但單調(diào)增加的曲線,在水平力前下降(圖5a)和在試樣的中心裂紋變得可以看到。當(dāng)位移控制實(shí)驗(yàn)是不斷超過這一點(diǎn),漸次降低水平的力。與此同時(shí),內(nèi)在裂紋以一個(gè)穩(wěn)定地方式伸展直到到達(dá)試樣的凸面邊界。圖4(a)二向測(cè)試備(UBTD)普遍設(shè)置為0度的加載。二向加載的角度調(diào)節(jié)可以通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)部圓盤(部件#8和#9),(b)內(nèi)部圓盤設(shè)在40度加載，(c)內(nèi)部圓盤設(shè)在90度加載。與此同時(shí),內(nèi)在裂紋以一個(gè)穩(wěn)定地方式伸展直到到達(dá)試樣的凸面邊界。類似的方式觀察40度和20度拉伸試驗(yàn)(圖5b和c)。然而,不像90度的緊張，一些曲線具有一個(gè)相當(dāng)平滑的力增加或甚至一個(gè)力在穩(wěn)定水平前突然下降。為試樣經(jīng)在25度壓加載時(shí)一個(gè)單調(diào)增加負(fù)荷觀察直到負(fù)荷水平下降,由于小裂縫計(jì)量器具在中央部分(圖5d)。對(duì)于試樣在25度壓力加載，觀察到的一個(gè)單調(diào)增加的加載D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–116直到載荷水平下降是由于中央?yún)^(qū)域由于小裂紋(圖5d)。頸縮在任何實(shí)驗(yàn)是無法觀察到的。在一些實(shí)驗(yàn)中,直到1毫米長(zhǎng)的小裂縫在薄的區(qū)域會(huì)形成相交的凸和凹界線(圖6)。開始斷裂前在測(cè)量的中央?yún)^(qū)域這些裂紋會(huì)產(chǎn)生的足夠明顯。例如,一個(gè)被測(cè)的試樣在20度的張力下表現(xiàn)出的小裂紋,而沿著裂縫的中心區(qū)域力會(huì)下降。這些小裂紋的形成,被認(rèn)為是一種局部的事情,這并不影響整個(gè)試樣的承載能力。不論加載角度和方向如何變化,力-位移曲線會(huì)表現(xiàn)出相當(dāng)大的伸展性。首先,力從試樣到試樣發(fā)生改變。例如,在90度角度的條件下加載，載荷在300N范圍內(nèi)，在最高和最低力之間測(cè)量的力-位移曲線上存在著不同。很明顯在小的加載角度下曲線伸展會(huì)稍微降低(例如在5c看到的20度的張力)。其次,測(cè)量的位移在裂紋開始萌生的地方有著明顯的不同。根據(jù)我們的宏觀觀察,我們假設(shè)垂直力F達(dá)到最大值時(shí)試樣開始斷裂。換句話說,我們會(huì)估算裂紋萌生的位移，，使用條件（5）在表2中對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。在90度緊張下的四個(gè)試樣中，位移在裂紋萌生處從0.54毫米到0.83毫米有所不同。相比較之下,40度角的張力在1到1.22毫米范圍內(nèi)，20度張力從1.06到2.00毫米,25度壓縮力下從-2.59到-2.94毫米a力[N]位移[mm]D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–116b力[N]位移[mm]c力[N]位移[mm]d壓縮力[N]位移[mm]圖5對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)和預(yù)測(cè)與數(shù)值模擬方法得到的定力-位移曲線，(a)90度時(shí)張緊力,(b)40度時(shí)張緊力(c)20度時(shí)張緊力,(d)的25度時(shí)壓縮力。D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–116圖6在凸和凹交界處附近短裂紋的例子。裂縫的位置環(huán)繞插入在表現(xiàn)取于決UBTD在20度拉伸加載面取向。值得注意的是在裂紋萌生處沒有相關(guān)性力和位移。例如,在40度角范圍以下的張力測(cè)試的試樣，試樣在力達(dá)到最大發(fā)生失效。雖然其它3個(gè)試樣存在較低的力,對(duì)裂紋萌生曲線上沒有次序。一個(gè)試樣先失效(),另外兩個(gè)在較大位移下失效()。表2也顯示測(cè)量的力-位移曲線在初始彈性線的斜率K。我們?cè)俅斡^察到明顯的分散。然而,不像裂紋萌生處的力和位移,在最初的實(shí)驗(yàn)的設(shè)定對(duì)斜率小變化非常敏感。D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–116表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)加載方向加載角度初始剛度開始斷裂時(shí)位移壓縮2559230-2.94壓縮2556367-2.66壓縮2561175-2.82壓縮2559088-2.59拉伸20475421.06拉伸20496332.00拉伸20500231.56拉伸20489161.63拉伸40585451.22拉伸40553761.10拉伸40611981.00拉伸40612281.07拉伸901576720.57拉伸901136090.83拉伸901225150.54拉伸901463440.65特別是,各種不同的夾緊壓力(其用7顆螺釘固定)以及最初的試樣的裝夾位置的細(xì)微差別可能影響測(cè)量的斜率。由于所謂的鑄造缺陷最有可能在測(cè)量的位移分散的地方斷裂。鑄造缺陷主要可分為三種(例如[26]):(1)氣孔：氫氣在熔化的液態(tài)金屬里的溶解度隨著冷卻而降低。因此,氣態(tài)氫會(huì)在融化凝固時(shí)析出。此外,一些氣孔是由于快速和混亂的形式填料時(shí)附帶的氣穴。（2）收縮性孔：在凝固過程的溫度場(chǎng)通常是高度不均勻的，這可能由于熱D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–116壓實(shí)強(qiáng)度改變它的體積導(dǎo)致孔洞的形成的。這種影響甚至?xí)蛳喈?dāng)大的熱膨脹系數(shù)進(jìn)一步放大。(3)氧化皮碎片:當(dāng)熔體暴露在大氣中，氧化皮幾乎會(huì)瞬間產(chǎn)生。在充填腔體時(shí)，氧化皮的碎片會(huì)完全依附在鑄件的各處。由于他們的形狀特征(圖1b),他們很可能充當(dāng)微裂紋。鑄造除非是特殊的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行,否則鑄造缺陷基本上是不可避免的。在多數(shù)實(shí)際的應(yīng)用中,壓力鑄造過程的特征是極快形式的充填,湍流熔體流動(dòng)、高冷卻速度,強(qiáng)大的溫度梯度和復(fù)雜的部分結(jié)構(gòu)。因此,高密度的鑄造缺陷可以被視為一種壓力鑄造件的固有屬性。鑄造缺陷明顯地影響裂紋萌生的時(shí)間和位置。對(duì)于不同的的作用力下,我們注意到所在位置的歷史溫度的變化也會(huì)影響固化合金的微觀結(jié)構(gòu)。D.Mohr,R.Treitler/工程力學(xué)例75(2008)97–116參考文獻(xiàn)[1]Abaqus.ABAQUSreferencemanuals,Version6.4.Providence,[2]AntretterT,FischerFD.Particlecleavageandductilecrackgrowthinatwo-phasecompositeonamicroscale.ComputMaterSci1998;13(1–3):1–7.[3]BaoY.Predictionofductilecrackformationinuncrackedbodies.PhDthesis,MassachusettsInstituteofTechnology,Cambridge,Massachusetts,USA.2003.[4]BaoY,WierzbickiT.Onfracturelocusintheequivalentstrainandstresstriaxialityspace.IntJMechSci2004;46:81–98.[5]BerdinC,OuglovaA,DjafariV,DoglioneR.Secondaryfoundryalloydamageandparticlefracture.MaterSciEngngA2003;357:328–36.[6]BorvikT,HopperstadOS,BerstadT.OntheinfluenceofstresstriaxialityandstrainrateonthebehaviorofastructuralsteelPart2.Numericalstudy.EurJMech2002;22(1):15–32.[7]CaceresCH,DavidsonCJ,GriffithsJR.ThedeformationandfracturebehaviourofanAl–Si–Mgcastingalloy.MaterSciEngngA1995;197:171–9.[8]GursonAL.Continuumtheoryofductilerupturebyvoidnucleationandgrowth:Part1–Yieldcriteriaandflowrulesforporousductilemedia.JEngngMaterTechnol1977:2–15.[9]GreveL,GrosserB,HillebrandA,LukeM,MemhardD.Developmentandapplicationofaphenomenologicalmaterialmodelfordiecastingalloys,PresentationattheCrashMAT2004Workshop,FraunhoferInstituteFreiburg,Germany,2004.[10]HancockJW,MackenzieAC.Mechanismsofductilefailureinhigh-strengthsteelssubjectedtomulti-axialstressstates.JMechPhysSolids1976;24(2–3):147.[11]HennS.Developmentofamaterialmodelofthecrackinitiationinaluminumalloyssubjecttomonotonicloading.PhDThesis(inGerman),Universityof[12]HollandD,KongX,Schlu¨terN,DahlW.Investigationsconcerningquantitativedeterminationoflocaldamageinductilematerials.SteelRes1992;63(8):361–7.[14]JohnsonGR,CookWH.Fracturecharacteristicsof3metalssubjectedtovariousstrains,strainrates,temperat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