耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料响应行为建模与仿真研究.pdf

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1、耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料响应行为建模与仿真研究鲁陈立2015年6月中图分类号：TG54UDC分类号：621.7耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料响应行为建模与仿真研究作者姓名鲁陈立学院名称机械与车辆学院指导教师周天丰教授答辩委员会主席王西彬教授申请学位工程硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月MesoscopicResponseBehaviorModelingandSimulationofHeatResistantStainlessSteelX8CrNi25-21C

2、andidateName:LuChenliSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.ZhouTianfengChair,ThesisCommittee:Prof.WangXibinDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June,2015研究成果声明本

3、人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要随着微小型零件在航空航天、微电子、环境、通信、汽车、生物等诸多领域的广泛应用，使得对介观尺度加工工艺要求愈来愈高，介观尺度加工过程中的现象与机理也随之

4、受到国内外学者的关注。对于介观尺度的研究，重点关注了介观尺度材料测试和介观尺度切削，介观尺度研究并不仅仅是宏观尺度上尺寸的减小，还存在着尺度效应，微观参数的影响和最小切削厚度等新的理论与工艺问题，因此需要有针对性地从微观力学和材料结构方面对其进行仿真分析和试验研究。（1）基于弹塑性力学理论和位错动力学，对经典的Johnson-Cook(JC)本构模型进行修正，引入位错塞积模型并在本构中考虑了晶粒尺寸和晶体取向等微观参数，建立能够体现尺度效应的介观尺度材料响应行为本构模型。（2）进行介观尺度材料测试实验（准静态拉伸实验，动态霍普

5、金森压杆实验）。采用非标准件进行材料测试实验并且采用相应的热处理工艺改变样件晶粒尺寸大小，最终确定本构关系中各个参数的值。针对耐热不锈钢X8CrNi25-21，建立了适用于介观尺度的材料本构模型。（3）应用Fortran语言对ABAQUS有限元软件的本构模型进行二次开发，根据上述建立的本构关系，基于材料力学中弹塑性理论，完成VUMAT子程序的开发，并将子程序应用到ABAUQS中进行正确性的验证。（4）为了验证建立的介观尺度本构模型的正确性和合理性，采用硬质合金刀具对耐热不锈钢X8CrNi25-21进行微细切削试验，同时进行切削

6、仿真分析，并将仿真结果与实验结果进行对比，完成仿真模型的验证工作。研究表明，宏观多晶体材料塑性变形过程中，材料可被看成是均质的、各向同性的，其变形行为不仅依赖于试样尺寸，而且依赖于材料的晶粒尺寸。随着试样尺寸的减小或晶粒尺寸的增加，材料的非均匀性增加，各向异性的单个晶粒的属性对试样整体变形行为的影响越来越大，具有明显的试样尺寸依赖性，并导致其“硬化”效果强于晶粒空洞引起的“软化”效果。在修正的过程中相当于增加了一个随应变增大的硬化项，通过介观尺度材料测试实验和微切削实验的仿真分析，修正的JC模型与实验结果吻合较好。关键词：耐热

7、不锈钢；材料本构；介观尺度；材料测试；有限元仿真I北京理工大学硕士学位论文AbstractWiththewidelyapplicationofmicropartsintheaerospace,micro-electronics,environment,communications,automotive,biotechnologyandmanyotherfields,higherdemandshavebeenmadetowardmesoscopicprocessing,thusgatheringmoreattentionfrom

8、researchersworldwidetothestudyofthephenomenaandmechanismsofmesoscopicscalecuttingprocess.Thestudyismainlyfocusedonmesoscopicscalematerialt