蘇嬌艷，曲周德，袁斌先

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300222）

金屬板料塑性變形行為及破裂判斷準(zhǔn)則研究綜述

蘇嬌艷，曲周德，袁斌先

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300222）

針對(duì)金屬板材塑性變形行為及破裂判斷準(zhǔn)則等問題進(jìn)行綜述和分析，闡述了金屬板材塑性變形行為中Hill類和Hershey類經(jīng)典屈服準(zhǔn)則的研究進(jìn)展及應(yīng)用，指出常用屈服準(zhǔn)則的特點(diǎn)和不足，并提出考慮溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變路徑、屈服軌跡和組織結(jié)構(gòu)演化將是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。采用成形極限預(yù)測(cè)的方法，對(duì)板料破壞有無(wú)明顯集中縮頸的判斷破裂準(zhǔn)則進(jìn)行研究，得出應(yīng)力成形極限圖FLD、應(yīng)變成形極限圖FLSD、韌性破裂準(zhǔn)則DFC和韌性損傷斷裂準(zhǔn)則CDM的適用性，同時(shí)對(duì)各破裂判斷準(zhǔn)則中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、理論及模擬值分析的關(guān)鍵問題進(jìn)行討論，為預(yù)測(cè)板料成形極限提供理論依據(jù)。

塑性變形；屈服準(zhǔn)則；成形極限；斷裂準(zhǔn)則

金屬材料的變形，一般都經(jīng)過(guò)彈性變形、屈服硬化、分散性與集中性失穩(wěn)、斷裂等一系列過(guò)程。金屬板材在塑性變形行為中有著變化復(fù)雜的屈服面，屈服面與所選材料和變形過(guò)程有關(guān)，因而需要選用具有適用性和較高準(zhǔn)確性的屈服準(zhǔn)則來(lái)建立理論本構(gòu)關(guān)系模型。新材料的出現(xiàn)和復(fù)雜的變形條件要求研究人員對(duì)相關(guān)的理論模型進(jìn)行不斷地修正和創(chuàng)新，同時(shí)也需要考慮變形溫度、應(yīng)變速率和變形路徑的影響。另外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，屈服準(zhǔn)則的函數(shù)可以嵌入有限元的成形仿真。因此，塑性變形行為將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也為后續(xù)研究成形極限提供理論依據(jù)。通過(guò)塑性理論本構(gòu)關(guān)系模型和破壞判斷準(zhǔn)則，能很好地預(yù)測(cè)板料的成形極限。板料在拉應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生縮頸，逐漸破裂。破裂可以分為韌性破裂和脆性破裂［1］。有集中縮頸的韌性破裂采用成形極限圖判斷，沒有明顯縮頸的韌性破裂采用經(jīng)典的韌性破裂準(zhǔn)則來(lái)評(píng)定。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外金屬板料塑性變形行為和斷裂準(zhǔn)則應(yīng)用的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，闡述屈服準(zhǔn)則的發(fā)展歷程，分析常用屈服準(zhǔn)則的特點(diǎn)和不足，討論無(wú)明顯集中縮頸判斷破裂準(zhǔn)則的適用性。

1　板材塑性變形行為的屈服準(zhǔn)則

隨著新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，溫度和應(yīng)變速率對(duì)金屬板材塑性變形行為有很大影響，所以需要對(duì)金屬板材塑性變形行為進(jìn)行研究以滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。屈服準(zhǔn)則描述的是塑性屈服發(fā)生時(shí)應(yīng)力分量之間的關(guān)系，假設(shè)當(dāng)某些物理量達(dá)到某一臨界時(shí)發(fā)生塑性屈服或通過(guò)唯象函數(shù)來(lái)近似實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)。對(duì)于同向異性材料，最常用的屈服準(zhǔn)則是Tresca屈服準(zhǔn)則（最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則）和Huber-von-Mises屈服準(zhǔn)則（能量準(zhǔn)則）。

屈服準(zhǔn)則最早是1864年由Tresca［2］根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的，他認(rèn)為剪應(yīng)力作用下的晶界滑移引起塑性變形。Huber-von-Mises屈服準(zhǔn)則由Huber［3］和Mises［4］獨(dú)立提出，后來(lái)Hencky［5］對(duì)其進(jìn)行發(fā)展。該準(zhǔn)則假設(shè)靜水壓力并不影響塑性屈服，只有彈性畸變能影響材料從彈性向塑性的轉(zhuǎn)變。各向異性材料的屈服準(zhǔn)則最早由Mises［4］提出，最初用來(lái)描述單晶材料的各向異性塑性變形行為，后來(lái)也用于多晶體材料。目前應(yīng)用于各向異性材料的屈服準(zhǔn)則有Hill類屈服準(zhǔn)則和Hershey類屈服準(zhǔn)則。

1.1Hill類屈服準(zhǔn)則

1948年，Hill［6］提出了各向異性屈服準(zhǔn)則。Hill1948屈服準(zhǔn)則的優(yōu)點(diǎn)在于基本假設(shè)容易理解，屈服函數(shù)的參數(shù)都有直接的物理意義，因此在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。但Hill1948屈服準(zhǔn)則不能描述Woodthrope和Pearce［7］觀察到的“異常屈服”現(xiàn)象和“二階異常屈服”，只能應(yīng)用于軸對(duì)稱拉伸過(guò)程中形成四個(gè)“制耳”的材料；此外，其對(duì)于單向拉伸實(shí)驗(yàn)很難預(yù)測(cè)屈服應(yīng)力的相應(yīng)變化，不能描述如鋁合金等材料的塑性變形行為。20世紀(jì)70年代Hill［8］又提出了Hill1979屈服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則可以描述“異常屈服行為”的材料和相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)準(zhǔn)則及等效應(yīng)變的解析式，但只能用于當(dāng)主應(yīng)力的方向與各向異性主軸重合的情況，在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的局限性。之后提出的Hill1990屈服模型［9］具有Hill1979的所有優(yōu)點(diǎn)并可以預(yù)測(cè)板面內(nèi)不同方向上的單軸屈服應(yīng)力和各向異性系數(shù)，但函數(shù)比較復(fù)雜，需要更多的計(jì)算時(shí)間。1993年，Hill［10］提出了Hill1993屈服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則不僅保證了Hill1979屈服準(zhǔn)則的通用性，又能描述“異常屈服行為”和“二階異常屈服行為”，但無(wú)法得到應(yīng)變?cè)隽康娘@式表達(dá)式，預(yù)測(cè)的屈服面與利用晶體塑性理論預(yù)測(cè)的屈服面相差較大，使用受到限制。

1.2Hershey類屈服準(zhǔn)則

Hershey類屈服準(zhǔn)則是基于晶體塑性的屈服準(zhǔn)則。1972年，Hosford［11］提出了Hershey［12］的模型，并用其建立了一個(gè)各向異性屈服準(zhǔn)則。Barlat1989屈服準(zhǔn)則經(jīng)常應(yīng)用于金屬板材成形的數(shù)值模擬中［13］。1991年，Barlat［14］將其屈服準(zhǔn)則擴(kuò)展到三維，很好地預(yù)測(cè)板平面內(nèi)不同方向上的單向屈服應(yīng)力和各向異性系數(shù)，但流動(dòng)法則復(fù)雜，不便于使用。為提高屈服準(zhǔn)則的性能，更好地描述鋁合金的塑性變形行為，Barlat在1994年建立了Barlat1994屈服準(zhǔn)則的通用表達(dá)式。利用該屈服準(zhǔn)則進(jìn)行圓筒形件的拉伸模擬，可以很好地預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的制耳現(xiàn)象，所計(jì)算的屈服面與理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值吻合較好。2000年，Barlat［15］提出一個(gè)專用于平面應(yīng)力狀態(tài)的新模型，之后Barlat等［16］又提出了Barlat 2004-18p的三維屈服準(zhǔn)則，并將其嵌入LS/Dyna商業(yè)軟件。各向異性屈服準(zhǔn)則的發(fā)展歷程如表1所示。

表1　各向異性屈服準(zhǔn)則的發(fā)展歷程

1.3屈服準(zhǔn)則的應(yīng)用

目前應(yīng)用最多的屈服準(zhǔn)則為Hill1948、Hill1990和Barlat1989屈服準(zhǔn)則，主要集中在對(duì)屈服軌跡幾何形狀的預(yù)測(cè)和對(duì)面內(nèi)不同方向上單軸屈服應(yīng)力和塑性各向異性系數(shù)的預(yù)測(cè)。Dorel Banabic［17］通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)AA3103-O鋁合金屈服準(zhǔn)則的歸一化屈服軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：Hill1990屈服準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)結(jié)果較好，而Hill1948和Barlat1989的預(yù)測(cè)結(jié)果在雙拉區(qū)域相差很大。

吳向東［18］采用十字雙向拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)SPEN鋼板和2024-O鋁合金進(jìn)行了不同加載路徑下的雙向拉伸實(shí)驗(yàn)，將所得的屈服軌跡與現(xiàn)有的Hill類和Hershey類理論屈服軌跡進(jìn)行比較。結(jié)果表明：SPEN鋼板的Hosford各向異性屈服準(zhǔn)則得到的理論屈服軌跡與實(shí)驗(yàn)屈服軌跡吻合；2024-O鋁合金材料的Hosford和Barlat1989理論屈服軌跡與實(shí)驗(yàn)屈服軌跡吻合最好，而Mises屈服準(zhǔn)則最差。同時(shí)，王文平［19］從板料屈服準(zhǔn)則、包辛格效應(yīng)與強(qiáng)化模型、屈服強(qiáng)化規(guī)律實(shí)驗(yàn)方法及涉及應(yīng)變速率和溫度的板料屈服強(qiáng)化方面闡述板料屈服行為及強(qiáng)化規(guī)律的研究進(jìn)展。

通過(guò)以上討論可知，屈服準(zhǔn)則可以準(zhǔn)確描述各向異性材料的變形行為。一方面可以描述單軸屈服應(yīng)力和各向異性系數(shù)的變化，另一方面可以描述“各階”異常屈服行為并推廣到三維應(yīng)力狀態(tài)。不同屈服準(zhǔn)則能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同材料的屈服軌跡，在選用時(shí)需要考慮單軸屈服應(yīng)力、塑性各向異性系數(shù)的預(yù)測(cè)精度和計(jì)算效率、通用性等因素，從而滿足工程實(shí)際應(yīng)用的需求。

2　有集中縮頸的破裂判斷準(zhǔn)則

金屬板料沖壓成形過(guò)程中最常見的失效形式之一是有集中縮頸的韌性破裂。在實(shí)際應(yīng)用中，一般定義開始發(fā)生明顯集中縮頸的點(diǎn)為理想破壞臨界點(diǎn)。通過(guò)拉伸失穩(wěn)的狀態(tài)和位置選擇相應(yīng)的破壞判斷準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)破裂的產(chǎn)生，從而在加工之前采取改進(jìn)措施。

2.1應(yīng)變成形極限圖

1963年，Keeler［20］在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了板料在拉-拉和拉-壓加載條件下的應(yīng)變成形極限圖（forming limit diagram，F(xiàn)LD）。在板材成形分析中，F(xiàn)LD被普遍用于分析板材沖壓成形中的破裂問題及輔助沖壓工藝參數(shù)的選擇，這也是汽車、航天等領(lǐng)域計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAE）和選材預(yù)測(cè)必不可少的判據(jù)，它對(duì)沖壓成形工藝和材料研究都有重要的指導(dǎo)意義。

FLD理論計(jì)算依據(jù)是通過(guò)屈服準(zhǔn)則結(jié)合本構(gòu)關(guān)系得到的，在拉伸失穩(wěn)條件下判斷縮頸與破壞的產(chǎn)生。但這些理論計(jì)算值會(huì)出現(xiàn)較大誤差和背離實(shí)際的沖壓成形極限。因此，實(shí)際生產(chǎn)中的FLD是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量板料在不同應(yīng)變路徑下臨界失穩(wěn)時(shí)的主次應(yīng)變，在應(yīng)變空間內(nèi)繪制而成的。

近年來(lái)，在板料成形極限圖FLD的研究中，許多學(xué)者在FLD上進(jìn)行不斷完善，F(xiàn)LD可以直接測(cè)量得到。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，目前DYNAFORM、LSDYNA和ABAQUS等有限元分析軟件都將FLD作為板料成形失穩(wěn)的主要判據(jù)。但在有限元軟件仿真中，無(wú)法自動(dòng)判斷何時(shí)產(chǎn)生失穩(wěn)與破裂并自動(dòng)停止計(jì)算，因此需要一個(gè)有效的判斷準(zhǔn)則來(lái)判斷板料何時(shí)發(fā)生頸縮或破裂，以獲得極限應(yīng)變數(shù)據(jù)。劉光曉［21］應(yīng)用MK凹槽理論及有限元仿真方法預(yù)測(cè)了AZ31鎂合金板料成形極限圖。王輝［22］基于汽車公司工藝設(shè)計(jì)和材料選購(gòu)的需要，利用數(shù)據(jù)庫(kù)程序語(yǔ)言建立了材料數(shù)據(jù)庫(kù)、零件數(shù)據(jù)庫(kù)等，并編制了安全裕度分析的選材程序，開發(fā)了基于FLD的選材系統(tǒng)。

應(yīng)變成形極限圖FLD只適用于簡(jiǎn)單的線性加載方式，對(duì)于非線性的多道工序成形過(guò)程，如復(fù)雜的加載、卸載和反向加載條件，使用FLD預(yù)測(cè)結(jié)果是不準(zhǔn)確。在生產(chǎn)實(shí)際中多采用“安全裕度法”來(lái)彌補(bǔ)FLD與路徑相關(guān)的不足，但對(duì)于成形性能比普通碳鋼差的高強(qiáng)度鋼板，其成形極限相對(duì)較差，設(shè)定較大的安全裕度評(píng)定成形性能是不合理的，需要找出另一種與應(yīng)變路徑無(wú)關(guān)的成形極限判據(jù)。

2.2應(yīng)力成形極限圖

線性加載路徑下得到的FLD不適用于復(fù)雜加載路徑問題，從Kleemola［23］發(fā)現(xiàn)極限應(yīng)力與路徑無(wú)關(guān)后，就不斷有學(xué)者加入到應(yīng)力成形極限圖（forming limit stress diagram，F(xiàn)LSD）的研究中。

Arrieux［24］在理論獲取FLSD方面有著重要貢獻(xiàn)，作者分析了2種獲取FLSD的理論方法。一種是通過(guò)已知的應(yīng)變成形極限圖，按照板材成形的實(shí)際應(yīng)變路徑逐步計(jì)算推導(dǎo)出FLSD；另一種是先通過(guò)某一個(gè)具體的板材成形極限實(shí)驗(yàn)得到一個(gè)初始缺陷參數(shù)，然后按照M-K模型計(jì)算得到相應(yīng)的FLSD。由于初始參數(shù)的不確定性，相對(duì)來(lái)說(shuō)第一種方法得到的FLSD更加合理。

Stoughton等［25］在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)FLSD做了大量總結(jié)性研究。他從大量文章中提取FLD的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Arrieux的第一種方法推導(dǎo)在2種應(yīng)變路徑條件下的FLD所對(duì)應(yīng)的FLSD，并以不同的屈服準(zhǔn)則作為應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)準(zhǔn)則，將得到的FLSD進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：FLSD仍存在誤差，應(yīng)力成形極限與應(yīng)變路徑無(wú)關(guān)。

張京等［26］通過(guò)對(duì)鋁合金的板材成形實(shí)驗(yàn)，證明材料在不同應(yīng)變路徑條件下的FLSD一致。謝英等［27］對(duì)FLSD展開大量研究，推導(dǎo)了許多復(fù)雜應(yīng)變路徑下運(yùn)用不同屈服準(zhǔn)則的由極限應(yīng)變轉(zhuǎn)換得到的FLSD。陳明和［28］首次成功開發(fā)了以FLSD為判據(jù)的有限元分析軟件模塊，并應(yīng)用于多工步板料拉伸成形的有限元分析中。江仲海［29］采用5083鋁合金通過(guò)預(yù)加載的脹形模擬研究和折線變路徑FLSD理論推導(dǎo)得出，F(xiàn)LD與應(yīng)變路徑有關(guān)，F(xiàn)LSD與應(yīng)變路徑無(wú)關(guān)，并驗(yàn)證了FLSD作為極限判斷準(zhǔn)則的有效性。

綜上所述，F(xiàn)LSD通過(guò)分析復(fù)雜板料成形的失穩(wěn)，為復(fù)雜加載路徑下板料成形極限的預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。但在板料成形時(shí)，應(yīng)力值比應(yīng)變值更不易測(cè)量，同一個(gè)應(yīng)變?cè)谒苄岳碚撓驴傻玫讲煌膽?yīng)力值，因此需要建立失穩(wěn)準(zhǔn)則條件下統(tǒng)一的FLSD理論模型，得出唯一的FLSD。

3　沒有明顯縮頸的破裂判斷準(zhǔn)則

對(duì)于一些路徑比較復(fù)雜且塑性比較差，破裂時(shí)沒有明顯縮頸現(xiàn)象的板料成形極限問題（尤其是高強(qiáng)度板材），通常采用韌性破裂準(zhǔn)則（ductile fracture criterion，DFC）和連續(xù)損傷斷裂準(zhǔn)則（continuumdamagemechanics，CDM）作為破裂判斷依據(jù)。

3.1韌性破裂準(zhǔn)則

1966年，McClintock等［30］第一個(gè)提出了微觀機(jī)理的分析及依賴于橫主應(yīng)力、等效應(yīng)力和應(yīng)變硬化指數(shù)的破裂模型。1969年，Rice和Tracey［31］開拓性地研究了硬化和非硬化材料的遠(yuǎn)程單向拉伸載荷下球形空穴的生長(zhǎng)和形狀的變化，并采用應(yīng)力三維的指數(shù)函數(shù)來(lái)表示斷裂應(yīng)變。1981年，Leroy等［32］通過(guò)分析微觀空穴的形狀，修改了Rice和Tracey的理論。該理論表明韌性破裂準(zhǔn)則描述了材料的塑性流動(dòng)脫開與內(nèi)部損傷演化的積累，同時(shí)也表明了采用韌性破裂準(zhǔn)則DFC能夠考慮非線性應(yīng)力應(yīng)變載荷歷史中的塑性變形。

1985年，Johnson和Cook［33］最早提出韌性斷裂準(zhǔn)則應(yīng)變率和溫度的關(guān)系，斷裂時(shí)考慮了應(yīng)變應(yīng)力三軸、應(yīng)變率和溫度的函數(shù)。2004年，Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則被Clausen等［34］在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，表明AA5083-H116鋁合金在沖擊載荷下的斷裂現(xiàn)象，同時(shí)也表明韌性斷裂準(zhǔn)則材料常數(shù)測(cè)定最困難的部分是在斷裂瞬間獲得多個(gè)精確的應(yīng)力值、應(yīng)力三軸度和等效塑性應(yīng)變值。

Takuda等［35］利用韌性斷裂準(zhǔn)則并結(jié)合有限元法對(duì)鋁合金材料的軸對(duì)稱拉深成形進(jìn)行研究。王在林等［36］利用輥彎成形工藝特點(diǎn)，采用Brozzo韌性斷裂準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)相對(duì)彎曲半徑R/T=2下的超高強(qiáng)鋼輥彎成形的破裂現(xiàn)象。

諸楠等［37］針對(duì)已有的Johnson-Cook斷裂準(zhǔn)則，提出新的考慮剪切作用機(jī)制的斷裂準(zhǔn)則，利用ABAQUS子程序功能將新的斷裂準(zhǔn)則嵌入有限元軟件，并對(duì)高速棒料剪切工藝進(jìn)行有限元模擬，驗(yàn)證新斷裂準(zhǔn)則的可靠性。夏玉峰等［38］進(jìn)行了AZ80鎂鋁合金在不同溫度和應(yīng)變速率條件下的壓縮實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與有限元結(jié)果對(duì)比得到Cockcroft-Latham準(zhǔn)則的斷裂臨界值改變規(guī)律。黃華［39］通過(guò)改進(jìn)的Rice-Tracy準(zhǔn)則和Oyane準(zhǔn)則，結(jié)合應(yīng)變速率和溫度的影響，預(yù)測(cè)鋁合金溫?zé)釠_壓成形中的斷裂。

綜上所述，在考慮溫度及應(yīng)變速率的影響下，采用數(shù)值模擬得到板料成形的應(yīng)力應(yīng)變分布，結(jié)合適當(dāng)?shù)捻g性斷裂準(zhǔn)則，能很好地預(yù)測(cè)塑性比較差、路徑比較復(fù)雜的材料。由于DFC的材料參數(shù)高度依賴于假定微觀值并強(qiáng)耦合在一起，所以DFC常數(shù)的確定非常困難，有些臨界值必須通過(guò)隨機(jī)方法來(lái)確定，這些因素限制了DFC在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用。

3.2韌性損傷斷裂準(zhǔn)則

損傷力學(xué)是通過(guò)力學(xué)變量的變化來(lái)表征損傷過(guò)程中的性能衰退。連續(xù)損傷力學(xué)模型（CDM）最早由Kachanov［40］在蠕變條件下的破裂過(guò)程中提出。Rabotnov［41］對(duì)結(jié)構(gòu)蠕變問題的研究進(jìn)行修改，引入“有效應(yīng)力”的概念。1985年，Lemaitre［42］的研究報(bào)告中表明連續(xù)損傷力學(xué)模型適用于預(yù)測(cè)韌性材料的破裂。2003年，Brunig［43］提出了一種各向異性損傷模型，該模型不要求應(yīng)變等效、應(yīng)力等效或應(yīng)變能等效假設(shè)。CDM損傷模型已被廣泛應(yīng)用于對(duì)不同材料的數(shù)值研究。2011年，CDM模型也被Brunig和Gerke［44］用來(lái)模擬進(jìn)行動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下韌性金屬的損傷演化。

李云［45］基于Lemaitre損傷理論，采用混合法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，建立適用于高強(qiáng)鋼TRB熱成形的韌性斷裂準(zhǔn)則。文獻(xiàn)［46］根據(jù)Lemaitre損傷理論，推導(dǎo)出適用于高強(qiáng)鋼熱沖壓成形的韌性斷裂準(zhǔn)則，通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)建立了高強(qiáng)鋼的熱流變方程，求得材料參數(shù)；建立完整的韌性損傷斷裂準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)了不同工藝條件下盒形件的破裂。曾嶸等［47］分析了采用改進(jìn)的Lemaitre損傷斷裂準(zhǔn)則的鋁合金5052-0筒形件沖壓模擬過(guò)程，模擬過(guò)程中工件的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變的最大值都出現(xiàn)在圓板與凸模圓角接觸的區(qū)域，且材料的單位體積損傷值達(dá)到1的區(qū)域發(fā)生了破裂。

綜上所述，基于損傷理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，建立損傷斷裂損傷準(zhǔn)則，通過(guò)分析所得的損傷值可以預(yù)測(cè)材料的破裂，CDM已被廣泛應(yīng)用于對(duì)不同材料的研究。

4　結(jié)論

從金屬板料塑性變形行為及破裂判斷準(zhǔn)則的應(yīng)用研究分析可知：

（1）屈服準(zhǔn)則描述了單軸屈服應(yīng)力和各向異性系數(shù)變化等板料塑性變形行為，且有些屈服準(zhǔn)則已被集成到ABAQUS和LS-DYNA中。但屈服準(zhǔn)則中的力學(xué)參數(shù)需要采用專業(yè)的測(cè)試設(shè)備（十字拉伸實(shí)驗(yàn)或液壓脹形實(shí)驗(yàn)）來(lái)獲取。未來(lái)可通過(guò)考慮屈服準(zhǔn)則的方程系數(shù)變化來(lái)描述非線性加載的屈服軌跡，將唯象模型和基于晶體塑性的模型相結(jié)合，更好地描述模擬加工成形過(guò)程中溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變路徑等參數(shù)的變化，從而準(zhǔn)確地進(jìn)行虛擬加工過(guò)程的描述并應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)制造。

（2）在集中縮頸的韌性斷裂判據(jù)中，F(xiàn)LD應(yīng)用在簡(jiǎn)單的線性加載方式中，反映板料在一定變形方式下發(fā)生集中縮頸失穩(wěn)前所能達(dá)到的極限變形程度。而FLSD被認(rèn)為與應(yīng)變路徑無(wú)關(guān)，并能有效預(yù)測(cè)復(fù)雜加載路徑下板料多道次成形的極限。有限元仿真軟件將FLD作為板料成形失穩(wěn)的判據(jù)，但仿真的FLD與實(shí)驗(yàn)值有很大差距，且在仿真中無(wú)法自動(dòng)判斷何時(shí)發(fā)生失穩(wěn)破裂并自動(dòng)停止計(jì)算，因此需要對(duì)仿真FLD進(jìn)行適當(dāng)修正，并采用能夠判斷板料何時(shí)發(fā)生頸縮或破裂的準(zhǔn)則，以獲得接近實(shí)際的板料成形極限。對(duì)新型材料的應(yīng)變成形極限圖FLD或應(yīng)力成形極限圖FLSD的獲取有待進(jìn)一步研究來(lái)滿足工程實(shí)際應(yīng)用的需求。

（3）韌性斷裂準(zhǔn)則和連續(xù)損傷斷裂準(zhǔn)則都是基于微觀機(jī)理和力學(xué)損傷理論，運(yùn)用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用反求法和最優(yōu)技術(shù)求得材料參數(shù)，從而預(yù)測(cè)路徑比較復(fù)雜、塑性比較差的沒有明顯縮頸現(xiàn)象材料的成形極限。目前，DFC和CDM比較依賴塑性變形時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變及材料常數(shù)，且每種準(zhǔn)則都有各自的適用范圍。因此，建立對(duì)成形條件依賴較少又能反映材料本質(zhì)，同時(shí)又能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)形狀更為復(fù)雜的零件破裂的斷裂準(zhǔn)則將具有一定的創(chuàng)新意義。

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Review on the research for plastic deformation and fracture criterion of sheet metal

SU Jiao-yan，QU Zhou-de，YUAN Bin-xian
（School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

For sheet metal plastic deformation behavior and the problem of fracture criteria are reviewed and analyzed in this paper.Sheet metal plastic deformation behavior in Hill and Hershey classical yield criterion research progress and applications are described，and pointed out that the characteristics and shortcomings common yield criterion，considering the temperature，strain rate，strain path，yield locus and structural evolution of the organization will be the research focus in the future.With the method to predicate the forming limit of the material，the criteria is analyzed for no obvious damage for concentrated necking judgment of the failure on board.The applicability is made for the forming limit stress diagram FLD and forming limit stress diagram FLSD and ductile fracture criterion DFC and continuum damage mechanics CDM.At the same time，the key problems of the experimental data acquisition，theoretical or analog value analysis are discussed in order to provide a theoretical basis for the prediction of the forming limit of sheet metal.

plastic deformation；yield criteria；forming limit；fracture ductile

TG115.57

A

2095－0926（2016）03－0054－06

2016-04-25

蘇嬌艷（1990—），女，碩士研究生；曲周德（1973—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗苄猿尚涡录夹g(shù)及組織演化模擬技術(shù).