AZ31B镁合金准静态拉伸断裂准则

廖解放，刘 洋，景 峥

(西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

AZ31B镁合金准静态拉伸断裂准则

廖解放，刘 洋，景 峥

(西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

使用万能材料试验机，通过板材的无缺口拉伸试件和缺口拉伸试件，研究了AZ31B镁合金在室温下的准静态拉伸力学性能。结合数值模拟分析了各试件拉伸过程，解释了缺口处的断裂失效原理，获得了应力三轴度与断裂应变的关系，拟合得到了AZ31B镁合金准静态拉伸断裂准则。

AZ31B镁合金；缺口试件；数值模拟；断裂行为

0 前 言

镁合金作为一种轻质的金属结构材料,其应用领域正在日益扩大。材料的失效破坏研究对于工程材料和结构设计至关重要。断裂准则是分析材料塑性变形、破坏失效过程的重要理论基础与前提，而塑性变形引起的延性断裂极大地依赖于应力三轴度[1-2]。因此，研究镁合金断裂应变与应力三轴度的关系，对建立其断裂准则以及研究镁合金塑性变形及失效行为有着理论研究和实际应用的意义。

近年来，有限元数值模拟方法在结构设计中得到了越来越广泛的应用。Kumar J等[3]建立了钛合金IMI-834在多向拉伸应力状态下的破坏准则，并通过数值模拟验证了该准则的正确性。林莉等[4]修改了结构钢Q235的Johnson-Cook失效模型中的温度软化项，并结合数值模拟标定了相关模型参数。对于镁合金材料，贾东等[5]建立了镁合金MB2高应力三轴度范围的失效破坏准则，并从微观损伤机理解释了镁合金MB2的宏观断裂行为。以上研究表明，应力三轴度对金属材料的塑性变形和断裂行为有很大的影响。

本文通过板材的无缺口以及缺口4类试件，研究了AZ31B镁合金在室温下的准静态拉伸力学性能，分别根据4组试验数据，结合ABAQUS有限元数值模拟解释了缺口处的断裂失效原理，获得了应力三轴度与断裂应变的关系。

1 准静态拉伸试验

AZ31B镁合金是目前应用较广的镁合金材料。本文从同一块1 mm厚的AZ31B镁合金轧制板材的纵向切割试件，图1为各试件尺寸。试验在万能材料试验机上进行，试验拉伸速度控制为5 mm/min。每种试件均进行3组有效试验，以确保试验的准确性和可重复性。

a 无缺口试件；b 缺口试件

图2给出了各试件断裂前后的形式，其中无缺口拉伸试件在45(°)发生剪切破坏，且其断口形貌显得比较粗糙。由于试件发生脆性断裂，所以未出现明显的颈缩现象；各种缺口试件均发生正断，宏观上断口较为平直。但断口边缘处均有锅齿形特征，断口表面粗糙，同样未看到明显的颈缩现象。

a 断裂前的试件；b 断裂后的试件

2 试验结果与数值模拟

2.1 载荷—位移曲线

图3给出了各试件的载荷—位移曲线，缺口半径R增大，意味着应力三轴度减小，试件断裂时的伸长量随着缺口半径的增大而增大，说明AZ31B镁合金的延性随着应力三轴度的减小而增大。

1 无缺口； 2 R=6； 3 R=12； 4 R=25

2.2 数值模拟

将AZ31B镁合金材料特性参数以及试验测得的真实应力—应变输入到ABAQUS中，采用试验相同的加载方式，模拟各试件拉伸过程。经过数次调整参数，得到相对接近的曲线，图4给出了无缺口试件试验和数值模拟得到的载荷—位移曲线，两者之间较为吻合，说明此时可以通过数值模拟获得试件的断裂应变。

无论是无缺口试件还是缺口试件，最大等效应力都集中在试件最小截面的中心，即应力三轴度最大，塑性金属材料基本会从此处开始失效直至断裂，因为此处的微孔洞累积损伤程度最大，而离中心稍远处的等效应力趋于均匀。

1 试验曲线； 2 ABAQUS曲线

3 断裂应变与应力三轴度的关系

3.1 断裂准则及其参数

3.1.1 Johnson-Cook断裂准则

Johnson-Cook断裂准则是目前应用较广的失效准则，其中断裂应变εf写成如下形式：

εf=[D1+D2exp(D3σ*)](1+D4lnε*)(1+

D5T*)

(1)

忽略应变率和参考温度的影响，断裂应变与应力三轴度的关系可写成：

εf=D1+D2exp(D3σ*)

(2)

式中，εf为断裂应变，σ*为应力三轴度，D1～D5均为材料常数。此时εf和σ*为变量，通过3组有效的变量即可获得参数D1～D3。

3.1.2 断裂应变与应力三轴度

应力三轴度σ*和断裂应变εf分别写成：

(3)

εf=ln(A0/Af)

(4)

式中，σH为静水压力，σe为Mises等效应力，σ1、σ2、σ3为三向主应力，A0为原始最小横截面积，Af为断裂时断口区域横截面积。

3.2 断裂准则的标定

将数值模拟得到的Af值代入公式(4)求取断裂应变，应力三轴度则根据公式(3)求取，表1总结了4种试件的应力三轴度对应的断裂应变。对应力三轴度大于0.395的部分，借助Origin软件，用Johnson-Cook断裂准则拟合得到D1=-0.152、D2=0.489、D3=-1.392；对应力三轴度小于0.395的部分，采用线性函数进行拟合。最终得到图5所示的拟合曲线。

表1 绘图参数

1 模拟数据； 2 拟合曲线

因此，在忽略应变率和温度的影响时，AZ31B镁合金板材的准静态拉伸断裂准则为：

4 结 论

1) 本文研究得到了室温条件下AZ31B镁合金板材的准静态拉伸断裂准则：

2) 随着应力三轴度的增大，AZ31B镁合金的延性逐渐减小，断裂应变则先增大后减小。

3) 无缺口试件应力状态以及局部塑性变形未受到明显影响，试件只存在轴向拉伸应力；无论是无缺口试件还是缺口试件，由于微孔洞损伤累积效应，基本都从最小截面中心处发生正断。

[1] Mirza M S, Barton D C, Church P. The effect of stress triaxiality and strain-rate on the fracture characteristics of ductile metals[J]. Journal of Materials Science, 1996, 31(2): 453-461.

[2] Børvik T, Hopperstad O S, Dey S, et al. Strength and ductility of weldox 460E steel at high strain rates, elevated temperatures and various stress triaxialities[J]. Engineering. Fracture Mechanics, 2005, 72(7): 1071-1087.

[3] Kumar J. Stress triaxiality effect on fracture behavior of IMI-834 titanium alloy: Amicromechanics approach[J]. Materials and Design, 2009(30): 1118-1123.

[4] 林莉, 支旭东, 范锋, 等. Q235B钢Johnson-Cook模型参数的确定[J]. 振动与冲击, 2014, 33(9): 153-158.

[5] 贾东, 莫军, 黄西成, 等. 镁合金MB2在高应力三轴度下的拉伸破坏行为研究[J]. 振动与冲击, 2016, 31(1): 87-95.

Quasi-static Tensile Fracture Criterion of AZ31B Magnesium Alloy

LIAO Jie fang, LIU Yang, JING Zheng

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan621010,China)

With a universal test-machine, the author studied AZ31B magnesium alloy of quasi-static mechanical properties at room temperature, trying board of notched tension specimens and notched tension specimens. Numerical simulation analysis of the drawing process will explain the principles of fracture failure of gap and obtain stress triaxiality in the end. Fracture strain relationships have also obtained a quasi-static tensile fracture criterion of AZ31B magnesium alloy.

AZ31B magnesium alloy; Notched specimens; Numerical simulation; Fracture behavior

2017-03-03

西南科技大学大学生创新创业训练计划项目(201510619027)

廖解放(1992-)，男，四川人，在读硕士研究生，研究方向：镁合金材料力学实验与数值模拟，手机：15228721331，E-mail：1296652324@qq.com；通讯作者：刘洋(1994-)，男，河南人，在读本科生，研究方向：镁合金材料数值模拟.

TG376

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.029