（固体力学专业论文）韧性材料缺口试样拉伸破坏研究.pdf

| lu ii l li i i fti iii ir li ii y 17 3 8 8 2 7 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 溜弦冱 2o o 年匆其f ob ， 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 画即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝储繇讯透导师繇撇捌p 年乡月啪 韧性材料缺口试样拉伸破坏研究 捅要 采用纯铜材料缺口试样进行了一系列的单轴拉伸试验，并把不同拉伸 变形程度试样以线切割方式从中间对称切开再制成金相试样，在高倍显微 镜下观察试样缺口段韧带附近微孔洞与裂纹的演化状态，以研究不同几何 缺口的试样在拉伸变形下损伤破坏的发展过程。然后在试验的基础上，对 不同试样的试验进行了有限元分析，结合试验观测到的试样内部损伤发展 过程对描述材料破坏的韧性损伤模型进行了探讨。 研究表明，韧性材料缺口拉伸试样的破坏起始点与缺口试样颈部几何 ( 缺口尺寸与韧带宽度) 密切相关。试验观察发现：( 1 ) 缺口试样颈部韧 带区域在材料塑性变形增加到一定程度后逐渐出现微孔洞。( 2 ) 微孔洞首 先出现的位置与试样缺口几何尺寸有关：缺口半径大的试样的微孔洞在韧 带中心位置形核：缺口半径小的试样微孔洞在缺口前缘附近形核。( 3 ) 微孔 洞的不断形核和长大使得孔洞聚合成为裂纹。 本文还对韧性材料缺口几何不同拉伸试样受拉伸过程中颈部的应力状 态进行了拉伸数值模拟，分析了不同试样颈部的应力应变变化，计算了试 样的组合功密度、微孔洞扩张比和g t n 模型微孔洞体积分数，比较了组合 功密度模型、v g 模型和g t n 模型对试样损伤破坏过程描述的合理性和有效 性。计算分析表明，组合功密度模型和v g 模型能够更为准确地描述本文试 样的损伤演化过程。 关键字：韧性材料缺口试样微孔洞演化损伤破坏v g 模型 组合功密度模型g t n 模型 r e s e a r c ho nt e n s i l ef a i l u r eo fn o t c h e d s p e c i m e no f ad u c t i l em a t e r i a l a b s t r a c t as e r i e so fn o t c h e ds p e c i m e n sm a d eo fp u r ec o p p e rw e r et e s t e db yu n i a x i a l t e n s i o nt od i f f e r e n te l o n g a t i o n ，a n dt h e nt h es e c t i o ns a m p l e sw e r em a d ei n t o m e t a l l o g r a p h i cs a m p l e sb y w i r e e l e c t r o d e c u t t i n g a n dp o l i s h i n g t h e e v o l u t i o n a r ys t a t u so fm i c r o - h o l e sa n dc r a c k sn e a rt h es p e c i m e nn o t c hl i g a m e n t w e r eo b s e r v e dc a r e f u l l yu n d e rm i c r o s c o p e s ot h ed a m a g ea n df a i l u r ep r o c e s s o f s p e c i m e n s d i f f e r e n ti nn o t c h g e o m e t r y u n d e r g o n e d i f f e r e n tt e n s i l e e l o n g a t i o n sw e r es t u d i e d b a s e do nt h et e s t s ，t h et e n s i o np r o c e s s e so fs p e c i m e n s w e r es i m u l a t e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e nt h ei n t e r n a ld a m a g e e v o l u t i o na n dt h em o d e l sf o rd e s c r i b i n gd a m a g ep r o c e s so fam a t e r i a l sf a i l u r e w e r ed i s c u s s e d i ti sc o n f w m e db yt h er e s e a r c ht h a tt h ei n i t i a t i o np o i n to fn o t c h e dt e n s i l e s p e c i m e no fd u c t i l em a t e r i a l si ss t r o n g l yd e p e n d e n to nt h en e c kg e o m e t r yo f s p e c i m e n ( g a ps i z ea n dt h ew i d t ho fl i g a m e n t ) f r o mt h e s et e s t sw eo b s e r v et h a t ： ( 1 ) i nt h en e c kl i g a m e n ta r e ao fn o t c h e ds p e c i m e n ，t h em i c r o v o i d sw i l l g r a d u a l l ye m e r g ew h e nt h em a t e r i a l sp l a s t i cd e f o r m a t i o nr e a c h e sac e r t a i n d e g r e e ( 2 ) w h e r ev o i dw i l la p p e a rd e p e n d so nt h en o t c hg e o m e t r y f o rt h e s p e c i m e nt h a tg a po p e n i n gr a d i u si sl a r g e r , t h em i c r o - v i o d sw i l ln u c l e a t ei nt h e m i d d l eo ft h el i g a m e n t ；f o rt h es p e c i m e nt h a tg a po p e n i n gr a d i u si ss m a l l e r , t h e m i c r o - v i o d sw i l ln u c l e a t en e a rt h eg a pl e a d i n ge d g e ( 3 ) t h ep r o c e s so f m i c r o - v o i d sc o n t i n u en u c l e a t i n ga n dg r o w i n gw i l ll e a dt ot h ev o i d sc o a l e s c i n g i n t oac r a c ka n dl e a dt ot h ec r a c kp r o p a g a t i o nb ya g g r e g a t i o no fv o i d sw i t h c r a c k f u r t h e rt h ec h a n g eo fs t r e s s s t a t ei nn o t c hs p e c i m e n sd u r i n gt e n s i o nt e s t s w e r es i m u l a t e df o rt h en o s h e ds p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n tn o t c hg e o m e t r y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs t r e s sa n ds t r a i ni nn o t c h e ds p e c i m e nn e c ku n d e r t e n s i o n ，t h ec o m b i n a t o r yw o r kd e n s i t y , v o i dg r o w t hr a t i oa n dv o i df r a c t i o nf o r t h e s p e c i m e n sw e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h ec o m b i n a t o r yw o r kd e n s i t ym o d e l ， c r i t i c a lv o i dg r o w t hr a t i om o d e la n dg t nm o d e lw e r ec o m p a r e dw i t he a c h o t h e ri nr a t i o n a l i t ya n dv a l i d i t y r e s u l t ss h o wt h a t ：c o m b i n a t o r yw o r kd e n s i t y m o d e la n dc r i t i c a lv o i dg r o w t hr a t i om o d e lc a nm o r ea c c u r a t e l yd e s c r i b et h e d a m a g ee v o l u t i o np r o c e s so f t h es a m p l e k e yw o r d s ：t h en o t c h e ds p e c i m e no fd u c t i l em a t e r i a l ；m i c r o v o i d e v o l u t i o n ；d a m a g e ；c o m b i n a t o r yp o w e rd e n s i t ym o d e l ；v gm o d e l ；g t n m o d e u i 韧性材牵h 爽口试样重咐破栩。开究 目录 第一章绪论1 1 1 韧性材料破坏问题的提出和意义1 1 2 国内外研究的现状2 1 3 本文主要研究内容与方法5 第二章对缺口试样的拉伸试验的分析7 2 1 引言7 2 2 缺口试样拉伸试验与试验方法7 2 2 1 试样材料及材料的力学性能7 2 2 2 试样的形状、几何尺寸以及实物8 2 2 3 试验设备与流程1 1 2 3 含缺口的纯铜材料的拉伸试验分析1 4 2 3 1 含缺口纯铜试样的破坏过程1 4 2 3 1 1 孔洞长大阶段1 4 2 3 i 2 孔洞聚合阶段1 7 2 3 1 3 孔洞发展成为内部裂纹阶段1 9 2 3 1 4 形成穿透裂纹阶段2 2 2 3 1 5 发生宏观断裂阶段2 3 2 3 2 韧带为4 m 的缺口纯铜试样拉伸试验图象分析。2 4 2 3 3 韧带为6 m m 的缺口纯铜试样拉伸试验图象分析3 0 2 3 4 含缺口纯铜材料拉伸试验在厚度方向图象分析3 5 2 3 5 含缺口纯铜破坏试样内部孔洞、裂纹的分布情况。3 8 2 3 5 1 孔洞、裂纹的分布的位置3 8 2 3 5 2 孔洞、裂纹面积与长度。4 0 2 3 6 含缺口纯铜材料拉伸试验数据分析4 2 2 4 本章小结4 6 第三章对缺口试样的拉伸试验的数值模拟分析4 8 3 1 引言4 8 i v 广西大掌硕士学位论文韧性材律缺口试样拉伸破坏研究 3 2 数值分析中所需的弹塑性材料数据4 8 3 3 缺口试样的计算模型和边界条件5 1 3 4 缺口试样数值模拟的结果与拉伸试验的对比情况5 2 3 4 1 g t n 模型的简单介绍5 2 3 4 2 临界扩张比模型5 4 3 4 3 组合功密度模型5 4 3 4 4 数值模拟的结果5 5 3 4 4 1 用“组合功密度模型 与“ 模型的计算结果5 5 3 4 4 2 用g t n 模型计算所得的结果6 8 3 5 判据的合理性7 5 3 6 本章小结7 6 第四章全文总结7 8 4 1 主要的工作7 8 4 2 主要的结论7 8 参考文献8 0 硕士期间参与的科研工作8 5 v 广西大掌礓士学位论文韧性材搴h 虫口试样拉伸破期渴f 究 第一章绪论 1 1 韧性材料破坏问题的提出和意义 选择合适的工程材料需要满足由其所制成的构件在给定工作条件和一定的期限内 能安全服役而不发生失效。无论传统材料还是新型材料都需要保证一定的力学性能( 强 度、塑性、韧性) ，而材料的力学性能由材料的微观组织、结构在外载作用下的变形、 损伤演化和断裂的过程所决定。因此，为了提高材料的效能与创造新的高性能材料都要 求对材料变形、损伤，直至发生断裂破坏的规律、机理与控制进行深入的研究。 材料的断裂方式有脆性断裂和韧性断裂。一般以光滑拉伸试样的断面收缩率为划分 标准，如果断面收缩率小于5 时为脆性断裂，大于5 时则为韧性断裂金属材料一般发 生的是韧性断裂。现有的力学理论对裂纹前缘的应力和材料状态还难以给出准确合理的 描述，由于对断裂的机理还不明确，人们还难以准确合理地描述韧性断裂行为，还不能 准确预见韧性启裂、发展的演化过程。但可以肯定，材料的韧性断裂与加载过程中材料 的韧性损伤有关，是材料中韧性损伤积累造成的结果。 韧性损伤是金属材料由于大塑性变形产生的内部孔洞以及裂纹的萌生、长大的现 象，对金属材料的强度及寿命有很大影响，而韧性损伤导致的韧性断裂是常见的金属破 坏形式。影响韧性损伤的发生和演变的主要因素在于材料微观组织、应力状态、应变、 材质的稳定性等。韧性损伤的积累和发展使材料的内部与表面产生裂纹，最终形成断裂。 研究与材料微孔洞相关联的韧性损伤演化和裂纹形成、扩展的规律对揭示材料破坏的演 化规律和机理有重要意义。 由于材料的韧性断裂与加载过程中材料的韧性损伤密切相关，是材料中韧性损伤积 累造成的结果，有必要开展试验研究，寻找不同试样在加载过程中的启裂点( 起始破坏 点) ，通过确定材料试样的启裂点以进一步了解启裂之前的变形和应力状态与材料破坏 的关联性。如能通过试验确定不同应力状态材料试样的启裂点，对确定材料的破坏条件 无疑是大有帮助的。可以认为，利用试验来寻找材料试样启裂点的研究，有利于人们深 入了解材料的破坏过程及物理本质，对于丰富和发展细观损伤理论及应用研究有重要的 意义。 广西大学硬士学位论文韧性材牵| 缺口试样拉伸破嗣渴f 竞 1 2 国内外研究现状 从微观上讲，韧性金属材料在加载过程中的破坏是应力和变形共同作用下材料晶界 缺陷、第二相粒子或所含的夹杂物诱发的微孔洞成核、长大及聚合所造成，这一过程导 致了裂纹生成、扩展，最终致使材料破断。 弹塑性材料在单调拉伸载荷下的韧性断裂，一般可分为以下三阶段：( 1 ) 微孔洞的形 核。在材料变形过程中，由于材质差异、变形不协调，微孔洞首先在材料晶界缺陷、第 二相粒子或所含的夹杂物处形核，微孔洞的形核往往会伴随一些杂质微粒的自身开裂， 或基体与杂质微粒的界面脱粘。( 2 ) 微孔洞的长大。随着不断的加载，微孔洞周围材料的 塑性变形越来越大，由于材料基体的体积不可压缩性质，微孔洞也随之扩展和长大。( 3 ) 微孔洞的聚合。微孔洞附近的塑性变形达到一定程度后，微孔洞之间发生塑性失稳，导致 微孔洞之间生成局部剪切带，剪切带中的二级微孔洞片状汇合而形成宏观裂纹。 g u r s o n 【l 】在1 9 7 5 年基于体胞模型的塑性变形分析提出了g u r s o n 模型一该模型能 够描述材料因含有微孔洞使得材料屈服条件改变，并且受三轴应力影响。后来t v e r g a a r d 和n e e d l e m a n 2 4 】进一步完善了这一模型和相应的本构方程( 称之为g t n 模型) ，使之能 用于描述含孔洞材料的微孔洞变形、演变以及材料的最终破坏过程。这是一套较为完整 描述微孔洞对材料塑性行为影响的本构方程。周柏卓【5 】在损伤力学模型的基础上，用增 量本构关系模拟了微孔洞的成核和长大并用有限元损伤模型计算了裂纹的扩展。李国琛 网、郑长卿等【刀研究了大孔洞周围的二级形核对空洞聚合、损伤演化和基体弱化的影响。 张克实等【8 】在对含孔洞材料细观韧性损伤的体细胞分析中，指出由于l o d e 参数的不同， 孔洞的变形形状与微孔洞聚合的应变也不同。 在对含缺口试样做拉伸试验方面的研究，前人做了许多工作，朱浩等【9 】对含缺口的 铝合金试样进行拉伸试验和a b a q u s 计算，结果表明：缺口根部产生明显的微孔洞，随 着应力的增大，微孔洞的体积分数不断增大。缺口根部存在较高的三轴应力，拉伸断裂 的端口主要以韧窝为主。李振环等【1 0 】认为影响孔洞长大的重要因素是孔洞在不同三轴应 力场中的不同变化规律以及孔洞的初始形状，同时在文中提出的模型，对材料破坏的临 界孔洞扩张比与临界体积分数正做出较为准确的预测，而且对孔洞的长大规律给出 正确的描述。张丽敏等【l l 】对含缺口的纯铝试样进行拉伸破坏试验，通过改变试样的厚度 与缺口深度来改变应力三维度，发现断裂应变随厚度的增大而增大，随深度的增大却减 2 r 1 可大胄明曩士学：位沦文韧性材事h 央口试样拉p 破：叼淘f 究 小，与传统的应力三维度增高，断裂应变降低的观点不相符。余海东等【1 2 】对切口的板试 样和带切口的圆棒试样分别进行试验，发现在切口板试样开始变形时，孔洞生长最快 的地方出现在切口边缘处，并且向着试样中心发展，发展的速度与试样的形状有关，失 效前微孔洞相对体积百分数疋最大值与试样断裂时韧脆交界区域位置的无等值，线分 布形态可以近似模拟宏观断口形貌。张沛等【1 3 】对通过对直径为1 3 0 姗7 a 0 4 的超硬铝合金 棒在纵向与横向光滑试样和不同缺口半径的试样进行拉伸试验，由于缺口的存在，使得 铝合金棒材的各向异性增大，然而缺口半径的变化，对铝合金棒材在两方向上的拉伸性 能无明显的影响。 在寻找启裂点方面，许多研究者也提出了较有参考价值的试验结果以及计算模型， 如余海东等【1 4 】对含圆孔的m n n b 矩形薄板进行拉伸试验，结果表明：由于圆孔存在，导 致在圆孔周围应力集中，所以微孑l 洞在圆孔周围局部颈缩区域增长速度最快，最后也是 在此处启裂。杨新辉【1 5 】通过对裂尖弹塑性应力场的深入分析，提出了新的韧性断裂机理。 对裂尖断裂过程区及裂尖塑性区的分析表明，韧性断裂过程中裂尖起裂点的方位角并不 一定是裂纹的起始开裂角方向。能量释放率理论和应变能密度理论1 1 6 】在一定程度上解释 了脆性断裂的过程，但是不能预测裂纹的扩展。汤安民等【1 7 1 8 1 对两种热处理状态的紧凑 拉剪试件一硬铝合金l y l 2 板材进行分析，发现以往把启裂点与裂尖的连线方向视为裂纹 的开裂方向，这种认识虽然对i 型裂纹脆性开裂的解释尚合理，但是难以合理解释复合型 裂纹以及i i 型裂纹开裂。启裂点在应力三维度取最大值处，即裂纹端部钝化变形区域。 拉伸断裂时，裂纹的启裂方向与最大拉应力的方向有关；剪切断裂时，裂纹的启裂方向 与最大剪应力方向有关。当应力状态参数较大时，损伤处容易形成孔洞，孔洞发展较大 点是断裂的危险点，相邻孔洞聚合时，发生正拉断；孔洞不易聚合时，断裂形式受到孔 洞影响而剪切。当应力状态参数教小时，损伤处不容易形成孔洞，而是产生局部大变形， 形成剪切带，剪切带较大处是危险点，剪切带的快速发展使得断裂形式是没有孔洞影响 的剪断。林君山等【1 9 】在裂纹尖端贴应变片的方法测出了弹塑性或线弹性动态断裂的启裂 点。李旭东【2 0 】对含缺口的2 c r 钢三点弯曲试样产生的张开位移进行估算，得出当缺口顶 端的裂纹启裂长度达n o 1 m m 时为裂纹的启裂韧性，缺口端部的启裂韧性与半径成正比， 然而当试样的厚度增大，缺口端部达到平面应变后，缺口端部的应力更容易达到临界值。 林宏等【2 l 】对启裂c o d 测试方法的试验研究提出了三种寻找启裂点的方法：多试样阻 力曲线法声发射法：利用裂纹尖韧带上空洞成核、长大、夹杂物或第二相粒子剥离 3 韧性材料缺口试样拉伸破期渴| 兜 及自身开裂等，都会释放弹性波。当出现较大的声发射信号，利用此信号计算c o d 值， 但有时信号不显著。卸载剖面法，此方法比较简便，与实际接近。刘瑞堂等圈在静 动态j 积分试验中，发现启裂点是预制裂纹以塑性滑移变形为主要特征的钝化阶段向以以 微孔洞形成、扩展以及连结为主要特征稳态发展过程的过渡点，与曲线上的转折点对应， 此方法得出的启裂位置与实际测量中所得的临界伸张区宽度一致。 王国珍等【2 3 j 采用g t n 损伤模型对缺口根半径r 为4 m m 、2 m m 、l m m 、0 5 m m 圆棒拉伸试样 的断裂进行数值模拟，发现当r 2 m m ，模拟所得的最大载荷、启裂载荷、断裂功与实验 所得的值比较接近。但是r ) 2 n n n 时，出现的偏差较大。其主要的原因是g t n 模型是建立在 微孔洞的形核、长大和聚合的机理上，对于三向应力度较高的缺口试样以及根半径比较 小的试样适合。蒲吉斌等【2 4 】不同缺口根半径的金属材料的拉伸试样进行研究，发现当材 料以及尺寸相同时，缺口试样尖端的应力三维度、正应力以及等效塑性应变随着外荷载 的增大而增大，这就增大了材料发生断裂的可能。材料相同时，外加荷载越大越大，含 缺口试样的等效塑性应变值越大，但在发生整体屈服前，试样缺口的半径越小，缺口处 的最大塑性应变越大。潘励等f 2 5 】考虑了三向应力对孔洞发展趋势的影响，以及等效应变 和孔洞体积分数成指数关系，建立了损伤模型，准确的孔洞的损伤规律，同时指出了， 材料的粒子体积分数的增大，应变硬化指数减小，孔洞间的相互作用也增大。张贺全1 2 s 通过试验与数值计算来研究含缺口的金属材料的初始尺寸夹杂和孔洞的分布对后续损 伤以及延性断裂的影响，得出以下结论：当孔洞面积与夹杂物尺寸较小，孔洞就越难形 核，如果夹杂物尺寸越小，形成的孔洞也越小，韧带宽也就越大，孔洞破坏的过程也比 较均匀，从而材料的韧性越好。同时也发现了，大小孔洞周期分布均匀时，裂纹的启裂 位置由高三向应力决定，裂纹路线较直，韧性差；但是当大小孔洞随机分布时，裂纹的 启裂位置由高三向应力决定和孔洞的距离决定，裂纹路线呈“之 字形，材料的韧性较 好。陈耀坤【2 7 】采用a b a q u s 软件模拟了c m n 钢在不同应力状态下的断裂破坏演化行为， 来研究应力状态对延性损伤和断裂的机理及规律。在计算种发现应力状态对长孔洞的影 响比圆孔洞的大，长孔洞的扩展与聚合发生在平行的大孔洞之间，某些大孔洞决定着其 他孔洞最终的聚合乃至材料的最终断裂；但是对于圆孔洞来说应力状态决定了孔洞的分 布，如果圆孔洞的分布不出现团簇状，孔洞启裂的几率比长孔洞少。张光等1 2 s 对含缺口 的圆形、矩形的试样进行拉伸试验，用用i 卜t 模型、g t n 模型、体胞模型对缺口前端的 微孔洞的分布和启裂位置进行计算，同时也模拟了启裂出微孔洞的长大。结果分析表明： 应力三轴度是导致圆形截面拉伸破坏的主要原因，而塑性应变是导致矩形截面破坏的主 4 韧性材事h 呋口试样拉伸破羽淘| 究 要原因，圆形试样的启裂位置是在试样的中心，矩形试样的启裂位置是在截面的边缘处， 用三种模型对圆形试样启裂点的预测与实验所得的结果吻合得很好，而对矩形截面试样 的裂纹启裂点的研究预测的与试验所得结果接近的模型，是体胞模型。左宏等【2 9 】通过对 l y l 2 - m 以及l y l 2 - c z 两种材料进行紧凑拉剪试验，并结合有限元分析，得出结论：裂纹 的启裂区域是微孔洞扩张比极大值所在的区域，启裂时钝化尖端的微孔洞扩张比临界 值，可作为控制参数。虽然复合型断裂时裂纹启裂和扩展的规律较为复杂，但是微孔洞 扩张比这一参数能够合理的预测材料的启裂与发展的方向。 目前，研究材料力学性能的两种比较重要的手段是数值模拟和力学试验。以往不管 试验还是数值模拟对启裂点的研究多比较模糊，因为在试样在破坏前，内部结构是无法 看见的，直到破坏后看断口的形貌也是比较难找出破坏点的位置。而在数值模拟方法中 需要较为准确的材料模型对其进行描述，否则无法反映材料破坏的发生与发展过程。 1 3 本文主要研究内容与方法 由于试验条件限制，以往人们对启裂点的研究，大部分是用公式来推导即停留在理 论阶段，韧性材料究竟是从哪里启裂，没有提出准确的试验来证明。 本人首先是对不同几何缺口金属试样进行拉伸破坏的试验，用高倍显微镜观察破坏 后的微观端口形貌，分析试样的内部损伤机理，考虑材料的破坏，对拉伸过程中的孔洞 成核、长大及聚合过程进行模拟、通过试验与数值模拟的方法，来描述试样在何时、何 处启裂。 本文主要的工作包括： ( 1 ) 采用含缺口的不同厚度、不同缺口深度与宽度的纯铜试样，通过材料拉伸试验 机将多个试样分别拉伸到不同的位移水平，把经过拉伸处于不同变形程度的试 样分别用线切割的方式从中间对称切开，然后预磨，最后在高倍显微镜下，观 察各个试样内部的破坏情况，根据变形程度与材料内部破坏程度确定孔洞与裂 纹的启裂方向以及分布情况。 ( 2 ) 参照试验过程和记录的结果，用a b a q u s 有限元软件对纯铜缺口试样的拉伸过程 进行模拟，并采用不同的计算模型对计算得到的数据进行处理，分析断裂应变、 应力三维度、微孔洞扩张比、组合功密度、孔隙体积分数、增长孔隙体积分数、 成核孔隙体积分数等参数的变化，从而分析这些参数中何者用来描述试样的破 5 韧性材争h 良口试样拉伸破捆淘f 究 坏过程更为合理。 ( 3 ) 结合试验与数值模拟结果，分析韧性材料的启裂点与启裂原因，为韧性材料的 破坏提供合理的断裂判据。 6 韧性材料缺口试样拉伸破匀。开究 2 1 引言 第二章对缺口试样的拉伸试验的分析 结构的破坏控制一直是工程设计的关键所在，结构的韧性破坏在机理上是由于损伤 积累的结果。而损伤可能是制造加工过程中或受载使用过程中产生的微裂纹、微孔洞， 它们在外载的作用下会长大、汇合形成宏观裂纹。宏观裂纹继续扩展，导致结构的强度 的持续降低，最终失去承载能力，使结构完全破坏。 到目前为止，人们通过破坏试验以及数值模拟对材料的失效破坏过程的研究，但主 要集中在力学参数对破坏的影响，而对材料失效过程的演化过程，即孔洞在材料内部形 核、扩展和聚合过程以及裂纹的启裂区域，还没有进行系统的定性分析。 对韧性材料的断裂与损伤的研究也是大部分选择含缺口的试样，不同的人采用不同 的材料与不同深度的缺口试样，首先通过试验的研究，然后结合有限元的数值模拟进行 分析。 本文对含不同含缺口的纯铜矩形截面试件进行一系列的不同位移的加载试验。试件 根据切口半径以及韧带的不同分为6 类，3 种厚度，共2 8 件。 通过不同的加载位移来改变缺口部位的变形和应力水平及应力状态，初步分析不同 位移加载下，材料失效的过程，并通过对不同失效程度下试件的切片考察不同缺口半径 和韧带对材料失效过程演化以及裂纹起始区域的影响，以分析应力状态对材料失效过程 以及启裂点的影响，根据试验所得的载荷位移曲线以及试验后的试样的图片，分析、寻 找韧性材料的启裂点、裂纹与孔洞扩展与分布的规律。 2 2 缺口试样拉伸试验与试验方法 2 2 1 试样材料及材料的力学性能 纯铜板的牌号为t 1 ，材料的成分见表2 - i 。线切割加工出2 8 件，试样经2 8 0 。c 保 温2 h 后高温退火，并经过湿磨直到表面光滑无切割纹。试样的受拉的方向与轧制方向一 致，其执行标准是g b t 4 4 2 3 - 9 2 。材料的力学性能见表2 - 2 。 7 韧性材# 缺口试样拉伸破坏研究 表2 - 1 工业纯铜化学成分( 质量分数j 1 ) t a b2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc o m m e r c i a l l yp u r ec o p p e r ( m a s sf r a c t i o nm ，) 表2 - 2 纯铜的力学性能 t a b2 - 2m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fp u r ec o p p e r 2 2 2 试样的形状、几何尺寸以及实物 试样的长度h ，宽度为c ，厚度为d ，缺口深度为a ，缺口宽度为e ，韧带l ( 1 = c 一2 a ) ， 试样的几何形状如图2 - 1 所示，试样的几何尺寸如图2 2 ，单位为m m ，纯铜的试样的实物 如图2 - 3 所示 图2 - 1 试样的几何形状 f i g 2 1t h eg e o m e t r yo f s p e c i m e n 8 一1 韧性# j g s l - 缺口试样拉伸破坏研究 啜 一i 鱼 一 咀 - i 墨i 一 口互 一委1 一暖 - i 量l _ 一口j - i 量l 一 i 皇l 图2 - 2 试样的几何尺寸 f i g 2 - 2t h es p e c i m e ng e o m e t r y 口 - j 鱼i 图2 - 3 ( a ) t x 4 6 纯铜试样 f i g 2 - 3 ( a ) t h et x 4 6c o p p e rs p e c i m e n 9 ，1 可大茸昀翼士曹q 立论文韧性材料缺口试样拉伸破：崎淘f 究 图2 - 3 ( b ) t x l 5 纯铜试样 f i g 2 3 ( b ) t h et x l5c o p p e rs p 豳e n 图2 - 3 ( c ) t x 2 5 、t x 3 5 纯铜试样 f i g 2 3 ( c ) t h et ) 2 5 锄dt ) 【3 5c o p p e rs p e c i i l l 本试验共用6 种不同的试样：第一种试样长度为8 8 衄，宽度是1 2 咖，厚度是6 舢，缺 口的开口深度是4 衄，中间韧带宽度为4 咖；第二种试样的尺寸与第一种的基本相同，只 是厚度是5 册；第三种试样的尺寸也与第一种的基本相同，但试样厚度是4 硼；第四 种的试样长度是8 8 唧，宽度是1 0 姗，厚度是5 姗，缺口的深度是2 舢，宽度是3 姗， 中间韧带宽度为6 姗；第五种与第四种基本相同，只是开口的宽度是2 咖；第六种试样 的长度是8 8 咖，宽度是8 姗，厚度是5 嘞，缺口的深度是1 姗，宽度是2 珊，中间韧带 宽度为6 姗。采用不同缺口的试样是它们在拉伸载荷下缺口韧带区域的应力状态和应变 分布不同。 由于湿磨与加工的损耗，使得设计尺寸与实际尺寸存在一定的误差，试样的实际尺 寸见表2 3 ，t 表示纯铜，下标第一个数字表示编号，第二个数字表示开口深度，第三个 数字表示厚度，如t x 4 6 ，表示是第x 个试样，缺口的深度是4 咖，厚度是6 咖，除了 1 0 韧性材料缺口试样拉伸破环研究 t x 2 5 和t x 3 5 的第二个数字表示开口的宽度外，其他数字的表示含义相同。试验的数据 和数值模拟的数据以实际尺寸为准。 袁2 - 3 纯铜试样的实际尺寸( m m ) t a b2 3t h et r i ms i z eo f c o p p e rs p e c i m e n ( m m ) 试验号深度a缺口宽度e厚度d宽度ci 韧带1 长度h t 1 4 64 0 4 64 9 95 9 61 2 0 14 18 8 0 8 t 2 4 64 0 4 85 0 15 9 611 9 64 1 l8 8 1 0 t 3 4 64 0 0 64 9 75 9 61 1 9 94 0 88 8 0 9 t 4 4 64 0 24 9 85 9 71 1 9 14 0 98 8 1 0 t 5 4 63 9 6 84 9 45 9 61 1 9 64 1 28 8 1 0 t 6 4 64 0 l4 9 75 9 71 1 9 64 0 78 8 1 3 t 7 4 64 0 0 74 9 86 0 11 2 o l4 18 8 0 7 i 8 4 63 9 25 0 l5 9 81 1 9 44 0 98 8 1 1 t 9 4 63 9 24 9 96 0 31 1 9 24 0 88 8 1 2 t 1 0 4 63 9 35 o o5 9 31 1 9 24 0 78 8 1 l 。t l1 4 63 8 94 9 45 9 4l1 9 14 0 38 8 0 0 t 1 2 4 63 9 54 9 95 6 81 1 8 94 0 68 7 9 9 t 1 1 50 9 61 9 84 8 17 8 55 9 48 7 7 5 t 2 1 50 9 51 9 84 8 l7 8 75 9 78 7 9 0 t 3 1 5o 9 22 。0 l4 7 87 8 15 9 88 7 8 7 t 4 1 50 9 42 0 24 8 l7 8 65 9 98 7 8 6 t 1 2 51 9 12 0 34 7 09 7 95 9 88 7 8 8 t 2 2 51 9 42 1 24 7 99 8 65 9 98 7 8 8 t 3 2 51 8 52 0 04 9 29 9 96 0 98 7 9 7 t 4 2 51 9 42 0 24 8 99 9 86 1 08 8 0 1 t 1 3 51 9 23 0 74 8 79 9 05 9 78 7 9 2 t 2 3 51 9 83 0 44 8 69 9 45 9 88 7 8 7 t 3 3 51 9 03 0 34 9 49 9 06 1 08 7 9 8 t 4 3 51 8 93 0 04 9 09 8 76 0 98 8 o l t 1 4 53 9 85 0 24 8 11 1 9 l3 9 78 7 9 l t 2 4 53 9 4 5 1 0 4 7 81 1 8 83 9 8 8 7 9 0 t 1 4 44 0 0 4 9 9 3 5 41 1 9 93 9 98 8 0 5 t 2 4 4 3 9 6 4 9 8 3 9 71 1 9 3 4 0 18 7 9 2 2 2 3 试验设备与流程 全部的试验都是在最大载荷为1 0 k n 的岛津a g - i s 试验机上完成，试验按位移加载， 加载速度是0 1 m m s ，试验的温度为室温。试验的设备如图2 - 4 所示。 韧佳材辑缺口试样拉伸破环研究 图2 - 4 ( a ) 试验设备a g - i s 电子拉伸试验机 f i g 2 - 4 ( a ) e l e c t r o n i ct e n s i l et e s t i n gm a c h i n e 墓显示变形过程，鬟 溉老蔬女毒，? o 锚l b i 。一。一? 口 l ? 。“：2 二：$ ；赫；氨鑫毛褫 棼，薹：琴臻j 鬈 是，i 二“。j 显微镜观测。j 童 缝凝鬣爹 图2 - 4 ( b ) 试验流程图 f i g 2 - 4 t h ef l o w c h a r to fe x p e r i m e n t 1 2 韧佳材料缺口试样拉伸破坏研究 经过线切割后的试样t 1 4 6 t h et 1 4 6c o p p e rs p e c i m e nd e a l e dw i t hw i r e - e l e c t r o d ec u t t i n g 经过线切割后的试样t 1 2 4 6 t h et 1 2 4 6c o p p e rs p e c i m e nd e a l e dw i t l lw i r e - e l e c t r o d e 图2 - 5 经过线切割后的试样 f i g 2 5t h ec o p p e rs p e c i m e nd e a l e dw i 廿1w i r e - e l e c t r o d ec u t t i n g 把拉伸过的试样，用线切割机先切掉两端，留下中间3 0 r a m 部分，然后从中间对称 切割，再把切割开的试样，放到抛光机上预磨，装置如图2 - 6 所示： 图2 - 6m p 2 b 研磨抛光机 f i g 2 - 6 t h em p 2 bp o l i s h i n gm a c h i n e 1 3 广西大掌硬士学位论文韧性材牵- 缺口试样拉伸破期淘f 完 湿磨至表面无划痕，然后在金相显微镜和体视显微镜下对试样进行观察并拍照，装 置如图2 7 所示： 图2 - 7 金相显微镜 f i g 2 7m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e 2 3 含缺口的纯铜材料的拉伸试验分析 2 3 1 含缺口纯铜试样的破坏过程 2 3 1 1 孔洞长大阶段( 水平方向为拉伸方向) 随着材料塑性变形的不断增加，孔洞首先在具有不规则形状、较大尺寸及强度较差 的和第二相粒子处通过界面开裂或自身断裂的方式形核，因为孔洞成核时孔洞比较小， 在显微镜下很难判别出，在试验中我们观察到的最小孔洞已是长大阶段的。下面是试样 t 1 4 6 、t 8 4 6 经拉伸后，用线切割机从中间剖开，然后在抛光机上经过几种砂纸的预磨， 最后在金相显微镜下观察到的的局部照片，分别如下图2 8 、2 9 所示： 1 4 ，- 茵大学臼翼士掌位兹 韧性材料缺口试样拉仲破期泻f 究 t 8 4 6 2 t 8 4 6 - 2 - t 趸) 2 - 8 孔洞长大初始阶段 f i g 2 - 8t h ei n i t i a ls t a g eo f v o i dg r o w t h 1 5 韧性材率映口试样拉伸破期u 开究 t 1 4 6 2 t 1 4 6 - 2 图2 - 9 孔洞长大阶段 f i g 2 9t h es t a g eo fv o i dg r o w t h 从照片可以看出：当t 1 4 6 拉伸的位移为0 6 3 7 m m 时，剖开试样金相观测样本上可 1 6 广西大掌硬士学位论文韧性材牵呋口试样拉伸破期。开究 以看到1 1 个孔洞的最大长度尺寸不小于0 4 8 咖，孔洞面积不大于o 0 9m m 2 ；孔洞的最 小长度尺寸为0 0 5 砌，孔洞最小面积0 0 1 姗2 同。试样t 8 4 6 拉伸的位移为0 5 8 6 衄 时，试样的内部也出现了6 个小孔洞，这些最大孔洞长度为0 1 1 咖，最大孔洞面积为 o 3 9 衄2 ；最小的孔洞长度为0 0 2 唧，最小孔洞面积为0 0 1 i 姗2 。随着外加位移的增大， 试样内部的孔洞逐渐增大，孔洞的数量也开始增多。在长大阶段，孔洞的形状特点为椭 圆形，圆形居多。试样t 1 4 6 、t 8 4 6 的试验曲线分别见图2 - 3 3 ( a ) 、图2 - 3 3 ( g