鉴于金属塑性变形的复杂性,有限元方法逐渐发展成为解决塑性工程问题的主要手段,尤其是金属塑性精密成形技术与有限元精确模拟技术密切相关。而塑性成形有限元模拟精度主要取决于材料本构模型精度。材料本构模型的测量主要采用拉伸、压缩、扭转、胀形等实验手段,材料在测试过程中主要承受单一应力状态,比如单向拉应力、单向压应力、纯剪切、双向拉应力等。金属塑性成形过程一般呈现材料复杂流动行为,材料承受复杂应力状态。一般金属塑性加工过程的数值模拟以单一应力状态下获取的本构模型作为输入参数,其模拟结果是否准确,可概括为不同应力状态下金属本构模型的通用性问题。目前,针对此问题的研究相对较少。随着金属塑性精密成形技术的发展,对有限元模拟精度要求越来越高,不同应力状态下金属本构模型的通用性问题的解答变得更加迫切。金属材料的本构关系主要包括硬化行为、屈服准则以及相关的流动法则。基于此,本文针对金属本构模型在不同应力状态下通用性问题进行初步探索,主要围绕不同应力状态下的初始屈服和硬化行为进行研究。本文以板材和棒材为研究对象,板材选用汽车用热轧镀锌钢板DX52D+Z,棒材选用低碳钢合金Q235和黄铜合金H62。针对DX52D+Z钢板进行了单向拉伸、液压胀形和剪切实验,针对Q235和H62棒材分别进行了单向拉伸、扭转和压缩实验,获取不同应力状态下试验曲线,然后对不同应力状态下的屈服和硬化行为进行对比研究,分析不同应力状态下屈服和硬化行为的差异原因。主要研究成果如下:(1)金属板材在不同应力状态下呈现不同的初始屈服和硬化行为,相比于单向拉伸状态和剪切状态,板材在等双拉状态下呈现出明显的“强化”效应,即在等双拉状态下,板材更难以从弹性进入塑性屈服,同时抵抗塑性变形的应变硬化能力和极限承载能力均显著增强,并且抵抗断裂的能力更加突出。而剪切状态下材料更易进入屈服,与单向拉伸相比呈现出更为弱化的应变硬化能力和极限承载能力,并且抵抗断裂能力也最差。(2)基于实验数据标定了Hill’48,Hill’79,Barlat’89和YLD2000-2d等各向异性屈服准则的相关参数,并描绘其屈服轨迹。通过实验验证,证明Barlat’89和YLD2000-2d屈服准则能够合理解释DX52D+Z板材在不同应力状态下初始屈服行为差异的原因。(3)建立金属圆棒单向拉伸大应变范围硬化曲线测量的圆弧模型,能够精确获得圆棒颈缩后至断裂前应变范围的硬化曲线,而且与现有Bridgman法相比,省去颈缩处最小截面半径和外轮廓曲率半径的繁琐测量环节,计算精度远高于现有方法中的试验测量精度,测量式易于实现程序化,具有操作性。(4)金属低碳钢合金(Q235)及黄铜合金(H62)棒材在不同应力状态下的硬化曲线存在较大差异。金属棒材在拉伸状态下受颈缩的影响,其有效应变范围远小于扭转状态。采用Bridgman法对颈缩之后的三向应力状态进行修正可将硬化曲线扩展至较高的应变范围。金属棒材在扭转状态下相比于拉伸状态和压缩状态呈现出不同程度的“软化”现象,即金属一般在扭转状态下更易进入塑性屈服状态,同时极限承载能力和应变硬化能力均显著减弱,而压缩状态下材料表现出更强的应变硬化能力。(5)基于单向拉伸屈服强度,单向压缩屈服强度以及扭转剪切屈服强度计算的广义屈服准则轨迹线与棒材实验数据吻合良好,而基于单向拉伸屈服强度计算的Mises屈服准则轨迹线则与实际有所差异。证明广义屈服准则能够合理解释金属棒材不同应力状态下屈服行为的不一致,而Mises屈服准则则有一定误差。(6)面对一般塑性工程问题,仅依靠单一的单向拉伸数据,基于一定简化和假设建立材料初始屈服和硬化模型,尚不能精确描述材料复杂的塑性流动行为,有必要依靠不同应力状态下的材料变形力学性能数据,借助更为普适更为精确的本构模型,才能更为准确地解答塑性工程问题,从而推动现代塑性精密成形技术发展。