金屬加工技術的材料建模基礎：理論與應用（簡體書）

本書內容包括統一的材料建模理論以及相關的實際工程應用。全書內容涵蓋基本的力學理論，基本的材料與冶金基礎，變形與失效機理，以及如何將上述知識用於構建材料與加工模型，並採用計算機模擬金屬成形過程。此外，書中還包含了用於微觀成形模擬的晶體塑性理論。本書主要劃分為四個部分：

l 金屬成形技術、力學和材料等方面的基礎知識。這部分包括第1章和第2章內容，介紹了表徵材料所需要的基礎知識，以及基於金屬塑性變形理論製造過程的分析。這一部分內容是專門為從事金屬成形研究與應用的青年學生、研究人員和工程技術人員而撰寫的。

l 統一本構方程的建模與應用。本書的第二部分包括第3章至第7章內容，介紹了構建和確定統一本構方程的基本技術，詳細敘述了塑性力學（第4章）和黏塑性力學在各種工藝中的應用範圍（第5章）。這對於青年研究人員和工程技術人員選擇正確的理論用於特定的應用很重要。第6章詳細介紹了各種變形條件下變形與失效的機理和理論。最後，第7章介紹了解答和校驗統一本構方程的數值方法。這一章主要面向大學和研究院所的高級研究人員。

l 應用舉例。第8章以工業界資助的項目研究結果為基礎，介紹了這些理論應用與實際工程技術的案例。這些案例有助於學生、科研人員和工程技術人員獲取運用理論方法、恰當地解決特定工藝問題的技巧。

l 晶體塑性與微成形應用。變形模式、產品大小和晶粒尺寸都是影響微成形工藝的至關重要的因素，但是宏觀力學理論常常不適用於微成形過程。因此，要引入建立在晶格結構中的滑移系基礎上的晶體塑性理論。第9章主要針對從事微觀力學技術的研究者，包括微成形和微型機加工；另外，它還有益於從事斷裂力學的研究者。這章內容有助於理解基本的塑性變形機理。

對於現代工程應用來說，成形的金屬部件要求具備特定的顯微結構、機械性能和物理性能，以保證部件的服役性能和使用壽命。為了滿足這一要求，已開發出材料及其加工模型，它們除了可以表徵材料宏觀流變的力學特性之外，還可以展示材料顯微結構的演化過程。為了實現這一目標，多年來研究者們一直在努力推進經典材料力學模型的發展。這些進展不僅可以統一地對材料進行描述，還可以模擬大變形金屬在成形過程中產生的力學現象和物理現象。

本書的主要目的是介紹材料及其加工技術模擬的研究現狀，使其可以幫助工程師改進生產工藝和改善金屬成形零件的質量。本書要求讀者具備固體力學、塑性理論和金屬成形工藝的基礎知識，並熟悉數值方法和計算技術。本書不僅適用于本科生、研究生和工程技術人員，也有益於學術導師和工程管理人員。

本書的核心是發展統一的材料模擬理論，以便於分析金屬成形過程中遇到的各類力學問題和顯微結構演化問題。為了涵蓋更廣泛的主題，本書取名為《金屬加工技術的材料建模基礎――理論與應用》。許多金屬加工技術不涉及塊體材料的大塑性變形，如摩擦攪拌焊（FSW）、惰性氣體焊接、材料熱處理（如固溶熱處理加淬火）、激光聯接與切割。在這些情況下，機械載荷和熱載荷的作用會使材料產生小尺度的塑性變形，而且在高溫和複雜應力應變狀態下，其顯微結構也發生了變化。採用本書引入的統一理論，也可以模擬這些工藝的加工力學現象和動態顯微結構演變。本書給出了若干例子，指導讀者將這些模型和技術應用於某些特定的工藝，這些工作是由倫敦帝國理工學院金屬成形與材料模擬團隊完成的，有些工作是他們早年在伯明翰大學完成的。例如，建立了統一的黏塑性本構方程，模擬RR1000超合金和貝氏體鋼在惰性氣體焊接過程中的力學行為和顯微結構的演變（Shi，Doel，Lin，等，2010）。

第1章 金屬成形與材料模擬

1.1 金屬成形工藝簡介

1.1.1 壓制成形

1.1.2 金屬板材成形

1.1.3 成形的優勢

1.2 成形過程中材料顯微結構的調控

1.2.1 晶粒尺寸

1.2.2 缺陷的消除

1.2.3 硬化

1.2.4 成形過程中材料的失效

1.3 材料建模方法

1.3.1 本構方程

1.3.2 材料物理性能與力學性能的建模

1.3.3 統一本構方程及狀態變量

第2章 金屬變形力學

2.1 結晶材料與塑性變形

2.1.1 結晶材料

2.1.2 單晶體的塑性變形

2.2 主變形機制

2.2.1 冷成形過程中的塑性變形

2.2.2 溫/熱成形中的黏塑性變形

2.3 應力和應變的定義

2.3.1 應力

2.3.2 位移、應變和應變速率

2.3.3 有限變形和其他應變的定義

2.3.4 應力應變關係

2.3.5 彈性應變能

2.4 屈服準則

2.4.1 von-Mises屈服準則

2.4.2 Tresca屈服準則

2.4.3 von-Mises 和Tresca屈服面的圖解說明

2.4.4 其他屈服準則

2.5 不同金屬成形條件下的應力狀態

2.5.1 簡單變形條件

2.5.2 成形過程中的應力狀態

第3章 統一本構建模技術

3.1 黏塑性勢函數和基本本構法則

3.1.1 彈塑性問題的基本定義

3.1.2 塑性應變的計算

3.1.3 黏塑性勢函數

3.2 塑性變形硬化

3.2.1 各向同性硬化

3.2.2 隨動硬化

3.3 狀態變量和統一本構方程

3.3.1 統一本構方程

3.3.2 統一本構方程的求解

3.3.3 方程組常數的確定

3.3.4 多軸本構方程組

第4章 金屬冷成形過程中的塑性

4.1 應用領域

4.2 增量法和硬化法則

4.2.1 單軸行為

4.2.2 基於von-Mises屈服準則的塑性流變法則

4.3 其他的塑性流動法則

4.3.1 Hill的各向異性屈服準則和流動法則

4.3.2 Tresca準則的各向同性流動法則

4.4 隨動硬化法則

第5章 金屬溫/熱成形過程中黏塑性和微觀結構的演變

5.1 應用領域

5.2 金屬的黏塑性變形

5.2.1 高溫蠕變

5.2.2 應力鬆弛

5.2.3 黏塑性的基本特徵

5.3 超塑性變形機理

5.3.1 過程和特點

5.3.2 應變速率硬化，敏感性和延展性

5.3.3 SPF材料建模

5.4 黏塑性和硬化的模擬

5.4.1 耗散勢和正交法則

5.4.2 材料的黏塑性變形

5.4.3 各向同性硬化方程

5.5 位錯硬化、回復和再結晶

5.5.1 位錯密度演化

5.5.2 再結晶

5.5.3 晶粒演變模擬

5.5.4 再結晶和晶粒尺寸對位錯密度的影響

5.5.5 晶粒尺寸對材料黏塑性流動的影響

5.6 統一黏塑性本構方程示例

5.6.1 用於超塑性的統一本構方程

5.6.2 用於鋼熱軋的統一本構方程

第6章 金屬成形中的連續損傷力學

6.1 損傷力學的概念

6.1.1 損傷及損傷變量的定義

6.1.2 具體的損傷定義方法

6.2 損傷機制，變量和模型

6.2.1 Kachanov蠕變損傷方程

6.2.2 由於高溫蠕變中移動位錯的增殖造成的損傷

6.2.3 由於蠕變約束的孔洞形核與擴展造成的損傷

6.2.4 由於連續孔洞擴展造成的損傷

6.2.5 金屬成形中的損傷和變形機理

6.3 基於損傷演變的應力狀態建模

6.3.1 高溫蠕變應力狀態損傷模型

6.3.2 熱成形應力狀態損傷模型

6.3.3 熱衝壓二維應力狀態模型

6.4 金屬冷成形損傷建模

6.4.1 Rice和Tracey模型

6.4.2 應變能量模型

6.4.3 Gurson模型

6.5 溫/熱金屬成形造成的損傷建模

6.5.1 超塑性成形的損傷建模

6.5.2 熱成形時晶粒尺寸和應變率的影響

6.6 熱壓縮成形損傷癒合

第7章 材料建模的數值方法

7.1 材料建模中的數值框架

7.1.1 求解ODE型本構方程的方法

7.1.2 基於實驗數據確定統一本構方程

7.2 數值整合

7.2.1 顯式歐拉法

7.2.2 中點法

7.2.3 Runge-Kutta法

7.2.4 隱式歐拉法

7.3 誤差分析和步長控制方法

7.3.1 誤差和步長控制

7.3.2 統一本構方程中的單位

7.3.3 無量綱誤差評估方法

7.4 隱性數值積分的案例研究

7.4.1 隱式積分法

7.4.2 歸一化誤差估計和步長控制

7.4.3 雅可比矩陣和計算效率

7.4.4 對解決ODE型統一本構方程的評價

7.5 構建優化目標函數

7.5.1 用於材料建模的目標函數的個體特徵

7.5.2 最短距離修正法(OF-I）

7.5.3 通用多重目標函數(OF-Ⅱ）

7.5.4 真誤差定義多重目標函數(OF-IⅢ）

7.5.5 評估目標函數的特徵

7.6 從實驗數據確定本構方程的優化方法

7.6.1 優化的定義

7.6.2 基於梯度的優化方法

7.6.3 基於進化編程（EP)的方法

7.7 確定本構方程示例

7.7.1 材料建模的系統開發

7.7.2 本構方程的確定

7.7.3 討論

第8章 材料與過程建模在金屬成形中的應用

8.1 先進的金屬成形過程建模框架

8.2 超塑性成形過程建模

8.2.1 統一超塑性成形本構方程

8.2.2 有限元模型和數值計算程序

8.2.3 晶粒尺寸對Ti-6Al-4V合金矩形框成形的影響

8.2.4 在515℃條件下A1-Zn-Mg合金框的成形

8.3 大型鋁板的蠕變時效成形(CAF)

8.3.1 蠕變時效成形工藝與變形機制

8.3.2 鋁合金的時效強化

8.3.3 統一蠕變時效本構方程

8.3.4 蠕變時效成形工藝模擬的數值程序

8.3.5 蠕變時效成形過程模擬分析

8.4 鋁合金板型零件的成形工藝

8.4.1 HFQ工藝介紹

8.4.2 熱衝壓成形極限

8.4.3 HFQ鋁的統一本構方程

8.4.4 HFQ特性的測試

8.5 鋼的熱軋

8.5.1 統一黏塑性本構方程

8.5.2 有限元模型和模擬程序

8.5.3 預測結果

8.6 鍛造過程中二相鈦合金的建模

8.6.1 Ti-6Al-4V燃氣輪機葉片的熱成形

8.6.2 變形和軟化機制

8.6.3 統一黏塑性本構模型

8.6.4 確定的統一黏塑性本構方程

第9章 微成形過程建模的晶體塑性理論

9.1 晶體塑性及微成形

9.1.1 微型零件及尺度效應

9.1.2 晶體塑性現象

9.2 晶體塑性本構方程

9.2.1 晶體動力學

9.2.2 晶體黏塑性本構方程

9.3 晶粒組織生成

9.3.1 晶粒分佈和生成算法

9.3.2 基於物理材料參數的晶粒組織產生

9.3.3 2D-VGRAIN系統的建立

9.4 內聚模型和3D晶粒組織模型的建立

9.4.1 內聚模型

9.4.2 3D晶粒組織模型

9.5 VGRAIN系統的搭建

9.5.1 總體系統

9.5.2 晶粒組織生成

9.6 微成形過程建模的案例研究

9.6.1 平面應變拉伸的頸縮現象

9.6.2 擠壓微型銷

9.6.3 微管液壓成形

9.6.4 微柱壓縮

參考文獻

附錄A 統一本構方程組