学科专业：材料加工工程

论文题目：7050铝合金塑性铰变形损伤与精准断裂基础研究

答辩人：曹俊

指导教师：李付国 教授

时间：2018年11月12日  上午9:00

地点：永利集团友谊校区公字楼322室

一、学位论文简介

针对整流罩由于分离装置复杂易对运载火箭产生大的扰动以及铰链式链接的强度、刚度和可靠性难以保障等问题，该论文对航天结构塑性铰候选材料7050铝合金不同应力状态下的变形特征进行了系统的研究。

论文首先针对航天结构塑性铰的备选材料，通过Hollomon、Swift和Voce本构模型研究，提出了新的能够预测拉伸变形各阶段加工硬化行为的表征参数及其在不同坐标系下的表现形式；其次，基于连续损伤力学与断裂力学知识，提出了韧脆性竞争的断裂判据，并通过缺口件的单轴拉伸试验与有限元模拟，研究了应力集中系数对材料拉伸断裂机制与变形断裂行为的影响；然后，针对多轴复杂应力状态，改进了椭圆断裂准则，阐明了材料内禀参数对断裂轨迹的影响规律，预测了7050高强铝合金的断裂成形极限图；随后，通过耦合Hill48准则与改进的椭圆断裂判据，表征了各向异性板坯的变形断裂行为，研究了材料各向异性对7050高强铝合金断裂轨迹与成形极限的影响。最后，将航天结构塑性铰模型化，通过对缺口板试样与开槽缺口试样进行三点弯曲试验与模拟分析，揭示了缺口半径与缺口类型对弯曲失效角的影响规律，并进行了可靠性分析。本文的主要研究内容和创新如下：

（1）提出了一种能够预测拉伸变形各阶段加工硬化行为的表征参数及其在不同坐标体系下的表现形式，发现加工硬化行为差异主要由变形对应力与应变的敏感程度决定，线性加权组合Swift与Voce方程能够用于颈缩等非均匀变形应力-应变关系的描述。

（2）基于R-T模型与弹性应变能密度提出了一种韧脆性竞争的断裂判据，结合试验与有限元模拟，对不同应力集中系数7050高强铝合金试样进行了变形损伤与断裂过程分析，定量化描述了平均应力三轴度、平均罗德参数与弹性应变能密度和变形损伤的关系。

（3）针对多轴复杂应力状态，提出了一种改进的椭圆断裂准则，预测了7050高强铝合金板坯不同应力与应变空间的断裂轨迹。给出了材料内禀参数与泊松比之间的换算式，获得的材料承载变形韧脆性断裂临界泊松比判据为2/7。

（4）基于缺口板试样与开槽缺口试样的三点弯曲过程，揭示了缺口半径与缺口类型对塑性铰弯曲失效的影响规律。发现缺口板的转动可设计性不佳，但断裂开关型特征明显，适合较大角度的转动；而开槽缺口试样的可设计性较好，但断裂时的开关型特征不明显，适合较小角度的转动。

二、攻读博士学位期间以第一作者（或导师第一）发表的与学位论文相关的学术论文

   [1] Jun Cao, Fuguo Li, Pan Li, Xinkai Ma, Jinghui Li. Analysis of ductile–brittle   competitive fracture criteria for tension process of 7050 aluminum alloy based on elastic strain energy density. Materials Science and Engineering: A. 2015, 637:201-214. (Chapter 4, SCI: 000356207600024, EI: 20151900822242，Impact factor: 3.414)

   [2]Jun Cao, Fuguo Li, Xinkai Ma, Zhankun Sun. Study of fracture behavior for anisotropic 7050-T7451 high-strength aluminum alloy plate. International Journal of Mechanical Sciences. 2017, 128/129:445-458. (Chapter 6, SCI: 000409150400036, EI: 20172203720720，Impact factor: 3.570)

  [3]Jun Cao, Fuguo Li, Xinkai Ma, Zhankun Sun. A modified elliptical fracture criterion to predict fracture forming limit diagrams for sheet metals. Journal of Materials Processing Technology. 2018, 252: 116-127. (Chapter 5，SCI: 000417659800011, EI: 20173804182640，Impact factor: 3.647)

   [4]Jun Cao, Fuguo Li. Critical Poisson’s ratio between toughness and brittleness. Philosophical Magazine Letters. 2016, 96(11):425-431. (Chapter 5, SCI: 000387509600003, EI: 20164202903246, Impact factor: 1.194)

   [5]Jun Cao, Fuguo Li, Xinkai Ma, Zhankun Sun. Tensile stress-strain behavior of metallic alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017, 27(11): 2443-2453. (Chapter 3，SCI: 000417213600014，Impact factor: 1.795)

  [6] Jun Cao, Fuguo Li, Xinkai Ma, Zhankun Sun. Prediction of fracture loci for Cu47.5Zr47.5Al5. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2018, 96:795-802 (Chapter 5, SCI: 000441485500066, EI: 20175004545213, Impact factor: 2.215)

   [7] Jun Cao, Fuguo Li, Xinkai Ma, Zhankun Sun. Study of anisotropic crack growth behavior for aluminum alloy 7050-T7451. Engineering Fracture Mechanics. 2018, 196:98-112. (Chapter 6, SCI: 000432704300007, EI: 20181705109670, Impact factor: 2.580)