初始損傷對(duì)后續(xù)損傷演化和斷裂的影響及機(jī)理.pdf

1、本文主要通過(guò)有限元(FEM)模擬計(jì)算及和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比對(duì)金屬材料中的初始損傷對(duì)后續(xù)延性損傷演化和斷裂行為的影響進(jìn)行了研究。用GTN(Gurson，Tvergaard，Needleman)損傷模型對(duì)C-Mn鋼缺口拉伸試樣延性斷裂的預(yù)測(cè)研究表明：當(dāng)缺口根半徑R≤2mm時(shí)，GTN模型對(duì)缺口拉伸時(shí)的最大載荷Pm、起裂載荷Pi、斷裂載荷Pf和斷裂功E的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值較為接近。而當(dāng)R>2mm后，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的偏差變大。其原因在于GTN模型是基于微孔洞

2、長(zhǎng)大和聚合的延性斷裂機(jī)理而建立，對(duì)于根半徑較小，促使孔洞長(zhǎng)大的三向應(yīng)力度較高的缺口試樣較為適用。GTN模型預(yù)測(cè)的三個(gè)特征載荷，尤其是表征韌性的斷裂功E的值總體上高于實(shí)驗(yàn)測(cè)定值，并且其預(yù)測(cè)的延性起裂位置在R≥1mm時(shí)也與實(shí)驗(yàn)觀察不一致。其原因是GTN模型未考慮實(shí)際材料組織中初始的夾雜物/孔洞的尺寸、形態(tài)、分布和方位對(duì)損傷演化和斷裂過(guò)程的影響。 對(duì)缺口前初始大尺寸夾雜/孔洞分布對(duì)延性裂紋擴(kuò)展的影響的研究表明：當(dāng)同等大小的孔洞呈周期性

3、均勻分布時(shí)，高三向應(yīng)力區(qū)決定了延性裂紋起裂位置，裂紋擴(kuò)展路徑比較平直，裂紋擴(kuò)展阻力低，材料韌性低。當(dāng)同等大小的孔洞呈隨機(jī)分布時(shí)，高三向應(yīng)力區(qū)和孔洞間距共同決定了延性起裂位置，裂紋呈“之”字路徑擴(kuò)展，與實(shí)驗(yàn)觀察吻合，裂紋起裂和擴(kuò)展韌性較高；當(dāng)不同大小的孔洞呈隨機(jī)分布時(shí)，損傷孔洞尺寸、三向應(yīng)力度和等效塑性應(yīng)變?chǔ)?p的大小共同決定了延性裂紋的起裂，分立的大尺寸孔洞誘導(dǎo)了裂紋擴(kuò)展路徑，與實(shí)驗(yàn)觀察非常相近，裂紋起裂和擴(kuò)展韌性最高。從提高材料韌性的

4、角度看，在材料制備和加工中應(yīng)盡可能降低大夾雜物/孔洞的尺寸，減少大尺寸夾雜物的數(shù)量；在空間上，應(yīng)盡可能使夾雜物隨機(jī)均勻分布。 對(duì)熱軋鋼中的長(zhǎng)條形初始損傷孔洞承受不同方向最大正應(yīng)力時(shí)的后續(xù)損傷演化和斷裂過(guò)程的細(xì)觀有限元力學(xué)分析研究表明：熱軋鋼中的長(zhǎng)條形夾雜物與基體剝離后形成的長(zhǎng)條形孔洞在后續(xù)加載中，其周圍產(chǎn)生的局部高應(yīng)力應(yīng)變集中及其相互作用，使孔洞長(zhǎng)大?？锥撮L(zhǎng)大行為存在明顯的個(gè)體差異，個(gè)別大孔洞的快速長(zhǎng)大和聚合，對(duì)材料破壞起主導(dǎo)作

5、用。當(dāng)長(zhǎng)條形孔洞承受不同方向的最大正應(yīng)力加載時(shí)，孔洞周圍產(chǎn)生的局部應(yīng)力應(yīng)變分布及其相互作用不同，孔洞長(zhǎng)大速率及其聚合時(shí)的臨界外加主應(yīng)變不同，相應(yīng)的材料延性起裂韌性不同。當(dāng)最大正應(yīng)力與孔洞長(zhǎng)條平行時(shí)，韌性最高；垂直時(shí)，韌性最低。 初始損傷量和分布及基體材料性質(zhì)對(duì)孔洞后續(xù)長(zhǎng)大與聚合影響的FEM力學(xué)分析研究表明：當(dāng)初始夾雜物/孔洞面積分?jǐn)?shù)小，尺寸越小時(shí)，孔洞越不容易形核；當(dāng)夾雜物尺寸較小時(shí)，隨后形成的孔洞也相應(yīng)較小，孔洞越小，孔洞之間

6、的韌帶越大，同時(shí)孔洞損傷演化越均勻，材料的韌性越高。為了使材料韌性不降低，在材料的制備和加工中應(yīng)產(chǎn)生盡可能少的初始損傷。當(dāng)夾雜物呈均勻分布時(shí)，孔洞不容易形核；呈團(tuán)簇分布時(shí)，孔洞容易形核。當(dāng)初始孔洞均勻分布時(shí)，孔洞長(zhǎng)大可以分為兩個(gè)階段：所有孔洞均勻長(zhǎng)大階段和不平衡長(zhǎng)大階段，其對(duì)應(yīng)的材料延性起裂韌性較高；但是當(dāng)初始孔洞呈團(tuán)簇分布時(shí)，團(tuán)簇內(nèi)的個(gè)別孔洞主導(dǎo)了材料的破壞，其對(duì)應(yīng)的材料延性起裂韌性較低。在夾雜物處形成的大尺寸孔洞主導(dǎo)了損傷的演化過(guò)程