幾種典型金屬材料形變損傷與斷裂特征的定性和定量研究.pdf

1、隨著載荷、尺寸、環(huán)境、缺陷等因素的變化，金屬材料的力學(xué)性能、變形行為、斷裂機理等都呈現(xiàn)出不同特征。對這些特征進(jìn)行系統(tǒng)的定性與定量研究不但在材料的應(yīng)用和可靠性設(shè)計方面具有實際的指導(dǎo)意義，而且對深入揭示金屬材料的變形與斷裂失效機制也具有重要的理論意義。目前，材料斷裂失效過程中所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)的變化以及斷口形貌的定性表征工作已日臻完善，但定量表征工作尚需不斷完善，尤其是對由材料的尺寸效應(yīng)所引起的變形和斷裂特征的定量評價罕見報道。鑒于上述研究背

2、景，本論文選取了幾種典型的具有不同晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料（如:面心立方fcc結(jié)構(gòu)AL6XN超級奧氏體不銹鋼、體心立方bcc結(jié)構(gòu)金屬純鐵和密排六方hcp結(jié)構(gòu)金屬純鈦）作為研究對象，結(jié)合分形定量分析方法，分別對不同樣品厚度、加載方式、溫度及原始微觀缺陷等影響下的力學(xué)性能、變形損傷與斷裂行為以及微觀位錯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　亞毫米尺度AL6XN超級奧氏體不銹鋼的拉伸以及拉-拉疲勞性能、斷裂行為和微觀結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)出一定的尺寸效應(yīng)。拉伸實

3、驗中在相同應(yīng)變速率條件下，隨著樣品厚度的增加，抗拉強度逐漸增加，但屈服強度的變化程度不大，同時表面的變形程度更為嚴(yán)重，斷口的韌窩尺寸逐漸增加，表面和斷口的分形維數(shù)也呈現(xiàn)出相應(yīng)的增加趨勢，位錯結(jié)構(gòu)從平面滑移方式為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕巫儗\晶為主。在相同應(yīng)力幅下的疲勞實驗中，樣品越厚，疲勞壽命越高，塑性變形能力越大。塑性變形能力的差異對疲勞斷口的形貌特征有顯著影響，即隨著厚度的增加，疲勞源區(qū)的微觀形貌特征從解理逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)解理，裂紋擴展區(qū)的塑性疲勞條

4、帶特征更為顯著，瞬時斷裂區(qū)的韌窩尺寸逐漸增大，疲勞斷口每個區(qū)的分形維數(shù)也相應(yīng)地隨厚度的增加都呈現(xiàn)出增加的趨勢。疲勞變形后微觀位錯結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)體現(xiàn)在:隨樣品厚度的增加，疲勞變形的微觀結(jié)構(gòu)特征從純平面/波狀滑移位錯結(jié)構(gòu)形貌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫儗\晶逐漸增多的形貌特征?？傊珹L6XN不銹鋼變形微觀結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)能很好地反映出其力學(xué)行為的尺寸效應(yīng)。
　　不同應(yīng)力幅下AL6XN超級奧氏體不銹鋼疲勞斷口的SEM觀察結(jié)果表明，疲勞斷口的形貌特征與外

5、加應(yīng)力幅有密切關(guān)系。隨著應(yīng)力幅的增加，疲勞源區(qū)的微觀形貌從解理臺階和脆性疲勞條紋組成的形貌逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸?guī)則條紋和二次裂紋的形貌，裂紋擴展區(qū)的塑性疲勞條帶間距略有增加，瞬時斷裂區(qū)的形貌均呈現(xiàn)出相似的韌窩特征。疲勞壽命與斷口掃描輪廓線分形維數(shù)之間的關(guān)系為分形維數(shù)越高，疲勞壽命越低。疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)分形維數(shù)的類似變化趨勢表明疲勞裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命對整個疲勞壽命的權(quán)重基本相當(dāng)。
　　總應(yīng)變幅控制下含晶界孔洞粗晶工業(yè)純鐵的

6、循環(huán)變形行為和疲勞斷口的分形分析表明，含晶界孔洞粗晶工業(yè)純鐵循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)均呈現(xiàn)出初始循環(huán)軟化，然后循環(huán)硬化直到斷裂，但是循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線未出現(xiàn)飽和階段。原始存在的晶界微觀孔洞有助于沿晶擴展方式成為裂紋擴展的主要擴展方式。無論總應(yīng)變幅的高低，疲勞裂紋擴展區(qū)掃描輪廓線的分形維數(shù)總是比裂紋源區(qū)或瞬時斷裂區(qū)的分形維數(shù)大，因此含晶界孔洞粗晶工業(yè)純鐵疲勞裂紋擴展區(qū)的壽命占據(jù)總疲勞壽命的大部分。在較高的總應(yīng)變幅下，位錯胞結(jié)構(gòu)成為主要的微觀位錯結(jié)構(gòu)特征

7、。
　　不同溫度下粗晶工業(yè)純鈦的拉伸變形和斷裂行為具有較高溫度敏感性。隨著溫度的升高，屈服強度、抗拉強度、應(yīng)變硬化指數(shù)都逐漸降低，但延伸率反而增加。沿著剪切帶方向的孔洞數(shù)量和尺寸隨溫度的升高而增加，同時靠近斷口的表面上掃描輪廓線的分形維數(shù)也相應(yīng)地增加。在拉伸斷口所產(chǎn)生的韌窩尺寸隨溫度的升高而逐漸增加，而斷口的平均分形維數(shù)（粗糙度）也逐漸增加。粗晶工業(yè)純鈦拉伸變形后的微觀結(jié)構(gòu)變化與溫度變化有相關(guān)性。隨著溫度的升高，粗晶工業(yè)純鈦的塑性