塑性變形
關(guān)注創(chuàng)建者：葉零01 創(chuàng)建時間：2018-06-27
塑性變形的視頻教程
基于Abaqus軟件的晶體塑性有限元分析v2.0-(1)-材料變形理論的理論基礎(chǔ)
基于Abaqus軟件的晶體塑性有限元分析v2.0-(1)-材料變形理論的理論基礎(chǔ)，第1章是關(guān)于晶體塑性變形理論基礎(chǔ)的講解，課程包含下面5部分內(nèi)容： 1.1 金屬塑性成形的多尺度研究方法 1.2 晶體塑性理論的歷史和發(fā)展 1.3 晶體塑性變形的理論基礎(chǔ) 1.4 晶體塑性變形的數(shù)值求解 1.5 多晶變形與單晶變形的關(guān)系 關(guān)鍵字：金屬塑性成形；多尺度研究；晶體塑性理論；數(shù)值求解
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塑性變形的實例教程
塑性變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響
（1）晶粒發(fā)生變形 金屬發(fā)生塑性變形后,晶粒沿形變方向被拉長或壓扁。當變形量很大時, 晶粒變成細條狀(拉伸時), 金屬中的夾雜物也被拉長, 形成纖維組織。
2）亞結(jié)構(gòu)形成金屬經(jīng)大的塑性變形時, 由于位錯的密度增大和發(fā)生交互作用, 大量位錯堆積在局部地區(qū), 并相互纏結(jié), 形成不均勻的分布, 使晶粒分化成許多位向略有不同的小晶塊, 而在晶粒內(nèi)產(chǎn)生亞晶粒。
（3）形變織構(gòu)產(chǎn)生 金屬塑性變形到很大程度(70%以上)時, 由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動, 使各晶粒的位向趨近于一致, 形成特殊的擇優(yōu)取向, 這種有序化的結(jié)構(gòu)叫做形變織構(gòu)。形變織構(gòu)一般分兩種：一種是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向, 稱為絲織構(gòu), 例如低碳鋼經(jīng)高度冷拔后, 其<100>平行于拔絲方向; 另一種是各晶粒的一定晶面和晶向平行于軋制方向, 稱為板織構(gòu), 低碳鋼的板織構(gòu)為{001}<110>。
2. 塑性變形對金屬性能的影響
（1）形變強化 金屬發(fā)生塑性變形, 隨變形度的增大, 金屬的強度和硬度顯著提高, 塑性和韌性明顯下降。這種現(xiàn)象稱為加工硬化, 也叫形變強化。產(chǎn)生加工硬化的原因是：金屬發(fā)生塑性變形時, 位錯密度增加, 位錯間的交互作用增強, 相互纏結(jié), 造成位錯運動阻力的增大, 引起塑性變形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎細化, 使強度得以提高。在生產(chǎn)中可通過冷軋、冷拔提高鋼板或鋼絲的強度。
（2）產(chǎn)生各向異性 由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成, 使金屬的性能產(chǎn)生各向異性。如沿纖維方向的強度和塑性明顯高于垂直方向的。用有織構(gòu)的板材沖制筒形零件時, 即由于在不同方向上塑性差別很大, 零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。 在某些情況下, 織構(gòu)的各向異性也有好處。
展開 塑性變形是金屬材料加工過程中最重要的問題。這里面涉及一些很基礎(chǔ)的概念，包括: 彈性變形、塑性變形、滑移、位錯、剪切帶、絕熱剪切帶等。對這些概念的理解和認知有利于理清金屬塑性加工過程中一些現(xiàn)象的科學(xué)本質(zhì)。小編整理了一些與金屬塑性加工有關(guān)的知識，歡迎大家閱讀和討論，并歡迎您在文章后面留言。
金屬的變形通常有兩類，即塊體加工和板材加工。在塊體加工過程中，整個塊體都會發(fā)生塑性變形。在板材成型加工過程中，只有局部發(fā)生塑性變形，非常典型的現(xiàn)象就是板材的厚度減薄。
金屬變形加工
金屬的變形包括：彈性變形和塑性變形。當載荷卸掉以后，彈性變形會回復(fù)。塑性變形是在外力作用下，金屬發(fā)生的永久變形，這種變形是不可回復(fù)的。一般來說，當外加載荷超過材料的彈性極限并超過屈服點以后，金屬就會發(fā)生塑性變形。在這個過程中所輸入的能量就會被金屬屈服過程中位錯的滑移和孿生所消耗。
軸向拉伸時的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線
塑性變形通常以滑移的方式發(fā)生，滑移通常沿著晶體中的原子密排面開動，因為在原子的密排面上開動滑移所需要的能量最小。位錯在晶粒中滑移一直到滑移出晶粒才會結(jié)束。于是，就在晶體的表面產(chǎn)生臺階，這種臺階就叫滑移帶。在就愛你剪切應(yīng)力作用下產(chǎn)生的滑移帶稱為剪切滑移帶，簡稱剪切帶[Shear bands]。
金屬中的晶粒形貌
金屬晶粒中的位錯形貌
滑移帶模型
滑移會連續(xù)發(fā)生，每次只產(chǎn)生一個臺階，所以晶體結(jié)構(gòu)會一直保持不變。
展開 細觀塑性力學(xué)(mesoplasticity)
研究材料細觀結(jié)構(gòu)對載荷的響應(yīng)、演化和失效機理，以及細觀結(jié)構(gòu)對材料宏觀性能的影響的一門新興學(xué)科，是材料科學(xué)與固體力學(xué)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。
20世紀70年代以來，材料工藝及制造技術(shù)突飛猛進。材料設(shè)計、加工及精密制造技術(shù)已成為一個定量及嚴密的學(xué)科，其中發(fā)展最為關(guān)鍵的一環(huán)就是對工程材料的力學(xué)性能的認識不斷提高。工程材料的加工是通過塑性變形(如壓力加工和精密切削)進行的。人們研究塑性變形的途徑可分為兩大類：一類是以傳統(tǒng)力學(xué)為基礎(chǔ)的唯象理論，強調(diào)解決問題的數(shù)學(xué)表達和邊界解，被稱為宏觀塑性力學(xué)；另一類是以物理學(xué)為基礎(chǔ)的微觀理論，研究材料真實塑性變形的微觀機理與力學(xué)性能(如屈服強度、硬度)之間的相互聯(lián)系，被稱為微觀塑性力學(xué)。多年來它們在各自領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展。
固體塑性變形可以從尺寸量級上分類(見表)，德魯克(D．C．Drucker)對這方面做了討論。表中列出了不同尺寸量級的研究對象以及相應(yīng)的學(xué)科。從表中可以看出，不同學(xué)科所關(guān)心的研究對象的尺度相差很大，互不相容，但大體可以分為微觀和細觀以及宏觀兩個尺寸范圍。
固體塑性變形的分類
傳統(tǒng)計算力學(xué)以“連續(xù)介質(zhì)”假設(shè)為基礎(chǔ)，用唯象理論的方法研究并建立了各類材料的本構(gòu)關(guān)系，由此導(dǎo)出了固體力學(xué)各類問題的基本方程，建立了相應(yīng)的解析和數(shù)值解法。然而，唯象理論在大應(yīng)變、高應(yīng)變速率、非比率加載、率相關(guān)、溫度敏感以及晶界效應(yīng)等問題前遇到了難于逾越的障礙。大量事實表明，材料的力學(xué)性質(zhì)對微觀結(jié)構(gòu)是敏感的。
微觀塑性力學(xué)基礎(chǔ)建立于位錯理論，通過位錯運動和晶格其他缺陷來解釋材料的基本性能。由于研究的對象是位錯及晶體缺陷，只能通過電子顯微鏡來觀察，觀察范圍非常細小且研制費時，不適于作為工業(yè)生產(chǎn)上質(zhì)量控制的評定指標。
展開 冷沖壓是建立在金屬塑性變形的基礎(chǔ)上，在常溫下利用安裝在太力機上的模具對材料施加壓力，使用其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的零件。
那么金屬的塑性變形是怎么回事呢？
在固體材料中，原子之間作用著相當大的力，足以抵抗重力的作用，所以在沒有其它外力作用的條件下，物體具有自己的形狀和尺寸。固體是由質(zhì)點或微元體組成的，對固體施加外力引起的形狀和尺寸改變，伴隨著質(zhì)點間距離的變化，或微元體的形狀和尺寸的變化。
如果作用物體的外力卸載后，由于外力引起的的變形隨之消失，特體能完全恢復(fù)自己的原始形狀和尺寸，則這樣的變形稱為彈性變形。如果作用于物體的外力卸載后，物體并不能完全恢復(fù)自己的原始形狀和尺寸，則所存在的殘余變形稱為塑性變形。
塑性變形和彈性變形一樣，都是在變形體不破壞的條件下進行的；
影響金屬塑性變形的主要因素通常有以個幾個因素：
1.金屬材料的成分和組織結(jié)構(gòu)
2.變形溫度
3.變形速度
4應(yīng)力狀態(tài)
5.材料的力學(xué)性能
影響金屬塑性變形的主要因素很多，除金屬的成分、組織結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素外，其外部因素的影響也很大。從沖壓工藝角度出發(fā)，往往著重于外部條件的研究，以便創(chuàng)遷條件，充分發(fā)揮材料的變形潛力，盡可能減少工序數(shù)。
正確選擇沖壓件原材料能在生產(chǎn)加工中起到事半功倍的做用。
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展開 根據(jù)相關(guān)標準，零部件在運行過程中允許小范圍的塑性變形或者應(yīng)力超出屈服強度不超過10%，但需考慮殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響，這里介紹下有限元分析零件的塑性變形和殘余應(yīng)力計算。
1.定義材料非線性特性，雙線性隨動強化材料。這里材料定義為Q235，屈服強度235MPa，抗拉強度450MPa，彈性模量210GPa，切向模量1.5GPa，泊松比0.3。
2.建立3d 模型，為簡化起見，建立一個長方體（10x10x100mm）
3.劃分網(wǎng)格，單元選用六面體單元。
4.定義邊界條件,一端固定，另一端施加30000N的拉力。這里一定要施加一個足夠大的力，以能讓材料產(chǎn)生塑性變形。
(至少要添加2個載荷步，以便觀察卸載之后的塑性變形和殘余應(yīng)力)
5.求解，求解過程中一定要把大變形打開。
看看卸載之后的塑性變形和殘余應(yīng)力，載荷卸去之后，零件仍有4.3mm的永久變形，殘余應(yīng)力也達到了100多兆帕，這里主要是應(yīng)為應(yīng)力集中的影響。
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塑性變形的最新內(nèi)容
應(yīng)力共軛與本構(gòu)更新
為了保證能量守恒，文章在晶體本地坐標系下采用 Mandel 應(yīng)力作為滑移驅(qū)動力，并配合隱式時間積分更新塑性變形梯度。
文章的模擬效果如下：
需要注意的是當前的這代積分方案和damask的快速傅里葉變化方案計算效果基本保持一致，整體也是使用fortran語言編寫，并使用vtk格式用于輸出，使用paraview可視化。
該模型的核心思想是：材料變形不僅包含彈性變形和晶體塑性滑移，還需要顯式考慮熱膨脹變形。因此，總變形梯度被分解為彈性/剛體轉(zhuǎn)動部分、熱變形部分和塑性變形部分。
在本構(gòu)層面，作者保留了 FCC 晶體的 12 個 {111}<110> 滑移系，并采用冪律型滑移率方程描述率相關(guān)塑性流動。
但實際金屬材料并不是“均勻黑箱”：晶粒取向、滑移系激活、織構(gòu)演化都會影響局部塑性變形，尤其在薄壁管壓潰這類大變形、強局部化問題中，微觀結(jié)構(gòu)可能對吸能行為產(chǎn)生重要影響。
這樣做的好處是，一方面保留了孿晶“有極性、不可正反完全對稱”的物理特征，另一方面又能把它自然嵌入有限變形晶體塑性框架中。這個思想到今天看仍然非常高明，因為它在“物理真實性”和“程序可實現(xiàn)性”之間找到了很好的平衡。
第三，這篇文章并沒有急著把硬化寫得非常復(fù)雜。
屈服強度是材料從彈性變形進入塑性變形的臨界點。拉伸過程中，材料在屈服點之前僅產(chǎn)生彈性變形；過了屈服點則進入塑性階段，產(chǎn)生永久不可恢復(fù)的變形。塑料材料由于韌性較差，拉伸試驗中基本沒有明顯的屈服階段，工程設(shè)計中常以產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時的應(yīng)力作為條件屈服極限。
抗拉強度是材料應(yīng)力值的極限點，超過此值材料即被判定破壞失效。
科普時刻 | 什么是跌落測試？17天前
使用仿真進行跌落測試的工程師，可以獲得裝配體中任何位置的加速度、應(yīng)力、變形、接觸力、塑性變形和位移信息。
1.模鍛階段溫度與變形分布不均
仿真結(jié)果顯示，在 1200℃ 終鍛條件下，連桿大小頭邊緣、飛邊附近及桿身圓角過渡區(qū)域塑性變形最為集中，局部溫降也更快。尤其是脫模后至轉(zhuǎn)運階段，不同部位散熱條件差異明顯，導(dǎo)致鍛后溫度場不均。
二、應(yīng)變相關(guān)
根據(jù)用戶手冊及后處理分類，ABAQUS提供了三類典型的后處理變量：
1.不變量
喵星人認為以下幾種應(yīng)變相關(guān)不變量相對比較重要：
PEEQ：等效塑性應(yīng)變，描述材料塑性變形的絕對值累積，用戶手冊定義如下：
典型的等效塑性應(yīng)變區(qū)域如下圖：
避免超載：嚴禁超過設(shè)計的每米額定承載，防止地軌產(chǎn)生塑性變形。
與在刀具下發(fā)生塑性變形的金屬不同，陶瓷堅硬、易碎且毫不妥協(xié)。然而，當由像深圳一鑫精密這樣的專家正確加工時，它們能提供其他材料無法比擬的性能。
本指南將深入探討陶瓷CNC加工的復(fù)雜性，詳細介紹材料、方法以及確保生產(chǎn)高公差陶瓷零件成功的關(guān)鍵因素。
為什么選擇特種陶瓷？
