金属弯曲滞后回弹形成机制的微观理论及其预测和补偿方法的研究

在大量板、管材弯曲试验中发现，部分金属弯曲回弹由两部分组成。一部分是塑性弯曲不能满足金属变形几何连续性要求，卸载瞬间发生的瞬时回弹；另一部分是变形后内部原子结构重新调整、残余应力或弹性变形能逐渐释放导致反弹性后效发生，无外力作用但随时间延续而产生的滞后回弹。这种现象的发现本身，对提高结构装配精度、防止各种高压流体输送管线畸变导致的系统控制紊乱甚至产生爆泄等具有非常重要的警示意义。.常温无外力作用下的滞后回弹现象极少被认知，它与高温恒应力作用下发生的蠕变有本质区别，是一种形成机理尚未可知的新的变形现象。采用微观测试、粘弹塑性理论分析与有限元相结合的方法，探索产生滞后回弹的内部驱动源，揭示其形成机制和规律，有助于深入理解回弹的微观实质，促进宏观弹塑性力学向微观层次延伸；探讨预测和补偿方法，可提高精密器械装配精度，推动精确塑性成形技术发展，并为系统建立金属流变学和细观力学充实新的深层次内涵。

基于滞后回弹对制造及装配精度的影响，提出本项目申请，2012年展开探索性试验研究。根据“资助项目计划书”及评审专家建议和初步研究结果，调整了原研究计划。研究围绕滞后回弹成因、影响因素及预测和补偿，针对10余种管、板宏微观试验分析，获得如下阶段性研究成果：.滞后回弹本构建模 基于粘塑性理论引入谐振子模型构建DP600双相钢及1Cr18Ni9Ti不锈钢管滞后回弹本构模型，利用2项prony级数提高回弹离散数据拟合优度；采用瞬态响应七参量Wiechert黏弹性模型分析5A03铝合金管非塑性变形行为，得到瞬时松弛、剪切模量等黏弹性参数；采用Norton幂律本构提高稳态蠕变与实验拟合精度；基于双耗散模型考虑黏性响应，提高了有限元预测精度。.反映非线性效应的预测模型 由恒应力蠕变和prony级数分析法，获得蠕变柔量函数；基于DP600加载响应，明确线粘弹性本构积分下限，将柔量函数与修正应力率函数进行卷积，揭示了加载历史效应并将其应变波形与卸载脉冲叠加，较好预测了不同预变形的滞后回弹。.预应变量与滞后回弹 预应变量对TA2纯钛板均匀变形区及TC4钛合金TDSS增长，以位错反向移动和反孪晶机制为主，前者失稳区因硬化和位错塞积减缓，TDSS增长归因于反孪晶增加；AC170px及AC600铝合金板滞后回弹随时间呈指数衰减变化，随预应变增大逐渐增大；预应变对DP600三点弯滞后回弹的影响分为增长、过渡及缓慢稳定段，采用黏弹性表象蠕变模型类比的有限元分析与试验结果吻合较好。.应变率与滞后回弹 改变准静态加载应变率的AC170px滞后回弹，各晶面有不同弛豫时间，XRD不同峰形变化有选择性；增大预应变及应变率，TC4滞后回弹呈指数增长，“流线型”光镜组织、位错塞积及孪晶演变与滞后回弹变化规律正相关。.UMAT子程序 根据Wiechert模型假设，推导黏弹性滞后回弹本构三维应力增量-应变增量-时间增量关系及相邻时间步内状态变量递归关系；根据ABAQUS接口编写UMAT子程序，目前尚未调通和正常运行。.BP神经网络预测滞后回弹 建立基于BP神经网络的预测模型，预测拉伸和弯曲滞后回弹与实验值吻合较好。.在研究中针对滞后回弹成因及预测，还进行了应力松弛、残余应力测试试验，构建各向同性强化、双耗散黏弹塑性模型及蠕变模型等。结题后，拟从各向异性影响等方面持续展开滞后回弹形成机制及预测和补偿的研究。