基于细片层状微结构珠光体材料损伤本构关系的研究

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珠光体材料的重要特性之一是在非对称应力循环下循环蠕变速率的减缓并趋于塑性安定以及材料对循环蠕变史的记忆与恢复;同时珠光体材料的宏观力学性能与其细观结构密切相关,在很大程度上取决于珠光体材料的微结构及其相互作用。珠光体材料为两相材料,它由大量随机取向的珠光体团组成,每一珠光体团由包含大量铁素体片和渗碳体片交互叠合而成。实验表明,具较小片层间距的珠光体材料具有较好的耐磨性和抗接触疲劳能力。已有的关于珠光体钢的本构模型多难以考虑珠光体材料的微结构及其相互作用,难以解释珠光体材料何以具有较好的综合力学性能,因此有必要发展一种多层次的细观力学分析方法以研究此材料在复杂加载条件下计及微结构特征的宏观响应特性,使材料的强度、疲劳寿命的预测与其微结构及各组成相的损伤及微观应力应变演化规律联系起来,进而为材料微结构的设计提供依据。 本文基于非经典塑性理论和连续介质损伤力学,在已有的具有细片层状微观结构珠光体团的弹塑性本构方程的基础上,采用Gurson模型考虑了铁素体相的孔洞型损伤,建立了基于有限大椭球体中含椭球形孔洞的细观损伤模型,在此基础上研究了应力三轴度、孔洞形状及大小等对材料损伤演化的影响,进一步得出了混合强化材料的损伤演化率,将其嵌入铁素体相的本构描述,得出了珠光体团的损伤本构模型。进而采用Hill自洽方法,得到了珠光体材料宏观损伤本构描述,并发展了相应的数值方法与程序。对典型珠光体双相材料BS11在复杂加载史下的响应特性的进行了分析,得到了与实验相吻合的结果。对BS11在典型轮轨接触摩擦应力状态下的响应特性与损伤进行了分析。 论文工作对于揭示珠光体材料损伤宏观响应特性的微结构机理,对于发展此类复相材料的损伤本构理论具有重要的意义,并具有重要的工程应用背景。
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