（化工过程机械专业论文）16mnr钢韧脆转变解理断裂的研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 在低温解理断裂的物理模型中，最重要的是确定解理裂纹形成中的临界事件。 本文通过1 6 m n r 压力容器钢分别对裂纹试样和缺口试样在韧脆转变温度下进行三 点弯曲试验，仔细观察解理断口和解理断裂起裂点。通过在不同外载荷下卸载后试 样的金相观察，仔细观察裂纹尖端的断裂行为。利用有限元软件计算局部解理断裂 的临界参数值和裂纹前端的应力，应变，三向应力度。结果表明：对于裂纹试样和 缺口试样，在未达到临界载苟之前，裂纹尖端只发生钝化，并且在裂尖附近，在相 互分离的不同区域满足了这三个判据，所以形核的裂纹不能扩展，只能钝化。对于 缺口试样，铁素体晶粒尺寸对材料的解理断裂起决定性作用，临界事件是：铁素体 晶粒尺寸的微裂纹扩展进入相邻的铁索体晶粒中。对于裂纹试样，裂尖前端正应力 升高是由于应力强化和应变强化这两个因素决定的。当裂尖出现纤维裂纹后，韧脆 转变机理是：由二相粒子决定的解理断裂应力转变成由晶粒尺寸决定的解理断裂应 力。同缺口试样具有相同的临界事件。 同时本文利用a b a q u s 有限元软件中的g u r s o n t v e r g a a r d - n e e d l e m e n 损伤模型， 结合试验观察，对缺口试样在考虑损伤后的解理断裂的力学行为进行了分析和讨 论，探讨了在考虑损伤后裂纹前端孔洞体积百分数，应力，应变与不考虑损伤的弹 塑性应力，应变的差异和形成原因。分析了不同外载荷下孔洞体积百分数，由于孑l 洞形核引起的孔洞体积百分数，由于孔洞长大引起的孔洞体积百分数之间的关系。 关键词：断裂机理有限元计算和模拟临界事件g u r s o n - t v e r g a a r d n e e d l e m a n 模型 兰州理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nl o wt e m p e r a t u r ec l e a v a g ep h y s i c a lm o d e l i ti so fp a r a m o u n ti m p o r t a n c et o a s c e r t a i nt h en a t l i f eo f t h ec r i t i c a le v e n ti nt h ef o r m a t i o no f ac l e a v a g ec r a c k t l r e ep o i n t b e n d i n g ( 3 p b ) t e s t so f p r e d r a c k e ds p e c i m e n sa n d n o t c h e ds p e c i m e n sw e r ec a r r i e do u tf o r c o a r s ea n df i n e g r a i n1 6 m n rs t e e l a td u c t i l e - b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e b a s e do n o b s e r v a t i o n so ff r a c t u r es i l l f a e e sa n dd e t a i l e do b s e r v a t i o no fc o n f i g u r a t i o nc h a n g e sa t t w ok i n do f s p e c i m e n sb ym e t a l l o g r a p h i cc r o s ss e c t i o n si ns p e c i m e n su n l o a d e da tv a r i o u s a p p l i e dl o a d s ，s o p h i s t i c a t e d f e me a l c u l a t i o n so fd i s t r i b u t i o n so fs t r e s s ，s t r a i na n d t r i a x i a l i t y t h ef r a c t i 】r eb e h a v i o ra tc r a c kt i pi sa n a l y z e d t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tb e f o r e c r i t i c a ll o a di sr e a c h e d t h ec r a c kt i pi sb l u n t e do n l ya n di t s v i e i n i t yt h r e ec r i t e r i af o r c l e a v a g ef r a c t u r ea r es a t i s f i e di nd i f i e r e n tr e g i o n ss e p a r a t e df r o me a c ho t h e r h e n c e t 1 1 e c l e a v a g ef r a c t u r e c a l ln o tb et r i g g e r e d f o rn o t c h e ds p e c i m e n ，t h ec r i t i c a le v e n to f c l e a v a g ef r a c t u r ed e t e r m i n e db yf e r r i t eg r a i ns i z ei st h ep r o p a g a t i o no fag r a i n s i z e d c r a c ki n t oan e i g h b o r i n gg r a i n f o rp r e c r a k e ds p e c i m e n t h ee l e v a t i o no fn o 肌a 1s t r e s s a h e a do ft h ed u c t i l ec r a c ki sr e l a t e dt ot h es t r e s si n t e n s i f i c a t i o na n dt h es t r a i nh a r d e n i n g t h em e c h a n i s mo fd u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o nw a sc o n s i d e r e da st h er e s u l to ft h et r a n s i t i o n o fs t r e s sa sd e t e r m i n e db yt h es e c o n dp h a s ep a r t i c l et ot h a ta sd e t e r m i n e db yt h ef e t r i t e g r a i n a tt h es e i n et i m e ，t h ep r e c r a k e ds p e c i m e np r e s e n t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc l e a v a g e i nan o t c h e d s p e c i m e n b a s e do nd u c t i l e d a m a g em e c h a n i c so fg u r s o n - t v e r g a a r d n e e d l e m e nm o d e li n s o f t w a r e a b a q u s ，t h e r e a s o n sf o rd i f f e r e n e eb e t w e e n e l a s t i c p l a s t i c b e h a v i o ra n d i n v o l v i n g d u c t i l e d a m a g eb e h a v i o r i ns t e e l1 6 m n rw 鹪d i s c u s s e di nd e t a i l i ti s c o m p a r e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o i df r a c t i o nd u et og r o w t ha n dv o i df r a c t i o nd u et o n u c l e a t i o na td i f i e r e n ta p p l i e dl o a d i i y7 2 1 1 5 9 兰州理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我在导师指导下的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰 写过的研究成果，也不包含为获得兰州理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：砖筮日期： 关于论文使用授权的说明 三。r g 本人完全了解兰州理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名导师签名日期 兰州理工大学碗士学位论文 绪论 1 1 工程背景 第一章绪论 随着科技的不断进步，在材料科学领域，出现了很多的新材料，然而钢材目前 仍是使用的最为广泛的结构材料。用合金钢制造的大型结构件：如桥梁、船舶、压 力容器、管道、化工设备、大型工程机械等在中低温度下使用时，有可能会发生具 有解理特征的低应力脆性断裂。这种低温脆断是一种很危险的失效形式，它的断裂 特点是：断裂前不产生或仅仅产生很小的塑性变形，断裂过程中单位体积所消耗的 能量很低。即使在韧脆转变区的温度下，延性裂纹首先是在裂纹试样尖端或缺口根 部形成，当裂纹扩展到一定长度以后，转变为脆性解理断裂。韧性值决定于延性裂 纹扩展时消耗的功及其断裂发生的早晚，也就是说，韧性值的大小与转变为解理起 裂的早晚有关。这种突发性的、没有先兆的断裂对设备和人身安全带来极其严重的 后果，造成了巨大的经济损失，这迫使人们对发生脆断的原因、机理、影响因素和 防止措施进行了大量的研究。 二十世纪二十年代，g r i f f i t h u 通过对玻璃平板的研究，解决了i n g l i s 【2 】的结果应 用于裂纹时而产生奇异性的问题，开创了断裂力学发展的新篇章。特别是二次世界 大战期间及以后，随着工程的大型化，焊接技术在各种工程中的引入和高强度材料 在航空领域的广泛应用，出现了许多重大工程断裂事故，造成了严重的财产，生命 损失。这些都促使人们对断裂进行更加深入的研究。 通过对断裂模式、原因、机理、影响因素和防止措施的大量研究，使宏观断裂 力学有了很大发展，建立了单参数特征的应力应变场参数。宏观断裂力学的主要技 术特征在于：( 1 ) 以断裂等破坏终极现象作为防范目标，提出了以断裂韧性理论 为中心的破坏准则体系；( 2 ) 引入宏观缺陷，但不考虑微观结构；( 3 ) 对材料的破 坏抗力唯象的反映在带裂纹标准事件的断裂指标上；( 4 ) 对材料的本构行为采用了 较复杂的连续介质描述，但材料构元仍不具有细观结构。同时，起步于理论断裂强 度研究的断裂物理，虽然渊源久远，但由于早期研究未曾致力于与宏观力学氛围的 定量连接，进展缓慢，宏微观结合的断裂力学成为科学技术发展的必然产物。其主 要技术特征为1 3 ：( 1 ) 追溯从变形，损伤到断裂的全过程；( 2 ) 引入多层次的缺陷 几何结构：( 3 ) 对材料的本构行为采用宏细微观媚结合的描述，即在材料构元中 体现特定的微结构；( 4 ) 材料的破坏抗力体现为可预测的力学指标。当代宏微观断裂 力学的兴起与发展对各种工程材料和结构的断裂机理，判据，韧性和使用安全性的 评定方法进行更加深入的研究提供了科学的思路和方法。 自从上个世纪五十年代起断裂力学成为- - 1 3 新兴的学科。七十年代以来，它逐 渐引起了国内科研，教学和生产中有关部门的广泛重视。世界范围内也同时利用断 裂力学破坏分析和缺陷评定对压力容器进行实效分析和评定技术的研究。像英国中 央电力局c e n t r a l e l e c t r i c i t yg e n e r a t i n gb o a r d ( c e o b ) 的有缺陷结构完整性的评价 标准r h r 6 ) ) 规范第4 版( 2 0 0 1 ) 、日本的按脆断评定的焊接缺陷验收标准一 w e s 2 8 0 5 、美国石油学会a p l 5 7 9 ：2 0 0 0r e c o m m e n d e d p r a c t i c ef o r f i t n e s s f o r - s e r v i c e ) ) ( 适用性评价推荐做法) 、欧盟的欧洲工业结构完整性评定方 法- s i n t a p 、我国的在用压力容器缺陷评定方法压力容器安全评定规范 兰州理工大学硕二b 学位论文 绪论 s a p v - 2 0 0 0 ( ! 报批稿) 等以弹塑性断裂理论为基础，在弹塑性断裂的分析和缺陷评定 的工程方法中取得了较好的实践效果。在国际上已经形成了一整套成熟的弹塑性断 裂分析和缺陷评定方法。 但是，断裂力学只考虑了宏观裂纹材料结构的变形和扩展，并没有从细观的角 度来分析裂纹的萌生，扩展直至破坏的整个过程。因此如何合理地从宏细观两个层 次上研究韧性材料的宏观破坏及其细观机理，对工程构件的安全使用和预防失效具 有重要的现实意义。正是宏观断裂力学的局限性使得断裂力学与断裂物理结合形成 了细观断裂和损伤力学，其主要研究方法是：( 1 ) 选择一个能最佳描述细观损伤的 尺度。( 2 ) 抽离出一类基本损伤结构并将嵌含该损伤结构的背景材料按一定的力学 规律统计平均为等效连续介质。( 3 ) 将更细尺度下的本构关系应用于这一背景连续 介质。( 4 ) 从该尺度下含损伤结构的连续介质力学计算来阐明材料的损伤模型。细 观损伤力学与材料的细观组织结构和细观损伤断裂物理过程紧密相关，体现了断裂 力学与断裂物理过程相结合的科学发展特征。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 宏观断裂力学的研究进展 根据晶格性质对晶体的强度进行计算，其理论强度为： = ( 譬) i m ， 其中：e 为杨氏模量，y 为表面能，b 为原子等效间距。 对于许多材料可得口_ “e 6 ，这个预测值比实际观察到的高得多，正是存在巨 大差异的事实使人们认识到晶体是存在着各种不同缺陷的，从裂纹的存在提出和发 展了宏观的断裂理论。 g r i f f i t h 1 1 从玻璃工业的实践中得到启发。在裂纹扩展中，内能是随着裂纹长度 的变化雨变化，它是弹性应变能和表萄能之间的转换。结合能量守恒得到： 嘉( u 。+ u s ) = 罢= 。 u 。为弹性应变能，u 。为表面能，c 为裂纹长度的一半 平面应力时： 盯，= 等r 平面应变时 盯r = 鼎 2 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 兰州理工大学坝= 卜学位论文 绪论 其中d 。为裂纹体断裂强度，e 为杨氏模量，为表面能，v 为泊松比，。为裂纹长 度的一半。 四十年代末到五十年代初，o r o w a n l 4 1 和i r w i n 【5 】从概念上发展g r i f f i t h 理论，认 为金属材料的裂纹前端在断裂前有塑性变形，因此，阻止裂纹扩展的能量还应该包 括塑性变形功。如令u p 为裂纹扩展单位面积所需的塑性变形功，由于u p 和u s 一 样都是裂纹扩展的阻力，因而平面应交时： ( 1 5 ) 在发展g r i f f i t h 理论的同时，i r w i n 6 1 根据w e s t e r g a r d 7 】推出的带裂纹体的解析解 引入了应力强度因子彭的概念，奠定了线弹性斯裂力学的基础，即 k = 仃万d( 1 6 ) 其中：彪为应力强度因子，口为外加应力，口为裂纹长度的一半。 考虑到裂纹尖端的塑性变形，必须对线弹性断裂力学的结果加以修正，1 t w i n 等人【8 l 引入了有效裂纹长度的概念，这种修正在塑性区较小的情况下足够精确，但 在大的塑性变形中却无能为力。w e l l s 9 】首先建议用裂纹张开位移( c ) 的大小表达 材料抵抗断裂的能力，d u g d a l e i m l 发展t c o d 理论，得出在理想塑性条状屈服条件 下原裂尖处c o d 的值： 占= 竺卫 (17，e ( 9 - 。 、7 其中：为杨氏模量，盯。为屈服应力，d 为夕 觚应力，a 为裂纹长度的一睾。 19 6 9 年r i c e t ) t 】基于全量理论，积分各种性质和应用的阐述为断裂力掌界所推 广- 使，积分成为弹塑性断裂力学的核心- 并证明了j 积分的守恒性，即围绕它的线 性积分只是一个与积分路径无关的常数，此常数反映了裂纹尖端应力应变场的强度。 ，= ( w 咖一罢胁 ( 1 8 ) 其中：w 为应变能密度，“为外边界上点的位移，t 为应力矢量，s 为外边界 的弧长，r 为从裂纹下表面任一点开始拨逆时针向围绕裂尖到裂纹上表面任一点的 积分路径。 上述宏观断裂力学的主要成就在于：对若干典型材料模型和裂纹运动规律建立 7 控制裂纹尖端某一环带域的特征奇异场。如芷场，纂硬化介质静止裂纹的艘冀 场n 其共丽盼特征是。”：( 1 ) 它们在裂尖掰近的某一环带占优，从而罐供了一个控帛裂 纹尖端断裂过程的力学场氛围，( 2 ) 对大多数裂纹尖端场来说，该力学场氛围的强弱 粼 兰州理工大学颂士学位论文 缔论 受单参数控制，概括性的录入了载荷信息、裂纹几何信息及部分材料信息。( 3 ) 可用 渐进分析的方法来一劳永逸地揭示这类奇异场的空间构造，并得以建立具有良好可 操作性的宏观断裂准则。 尽管宏观断裂力学取得了辉煌的成绩，在工程中得到成功的运用，但有不可逾 越的局限性。【i 到对韧性参数k l c ，j i c ，c o d 没有难一值，分散度很大，宏观断裂力 学是在连续介质力学模型上建立起来的，没有考虑材料细观和微观组织结构上的差 异，实际组织结构的不均匀性，以及解理起裂的随机性。虽然对于同一种材料，在 同样的外界条件下，k l c ，j ”c o d 具也有很大的波动性。因为宏观断裂力学没有 考虑断裂的细观和微观机理及判据，其韧性参数及判据是在连续介质力学模型上建 立起来的，而材料本身存在着夹杂物、碳化物、微孔洞、位错等大量缺陷和第二相， 这些缺陷和第二相在细观和微观上都是不连续的，只是从统计的角度考虑宏观断裂 韧度参数，而不能分析解理断裂的本质。也不能解释为什么不同的材料具有不同的 断裂韧性，对损伤过程的播述和材料韧性的改进也无能为力。 宏观断裂力学的局限性促成了细观损伤力学的兴起和发展，细观损伤力学的主 要优点在于对损伤赋予了真实的几何形象和具有力学意义的演化过程。作为宏观断 裂的四类细观损伤基元是：( 1 ) 微孔洞损伤和汇合i ( 2 ) 微裂纹损伤与临界的连接： ( 3 ) 变形局部化带与沿带损伤。因此细观损伤力学与材料的细观组织结构和细观 损伤断裂物理过程密切相关，体现了断裂力学与断裂物理相结合的学科发展特征。 1 2 2 解理机理的研究概况 g r i f f i t h 只是指出了解理断裂的一般条件，并没有说明不同材料具体微观过程。 s t r o h 1 3 j 认为解理裂纹的产生不是靠材料内部已存在的微裂纹，而是靠塑性应变。在 此基础上就位错塞积引起的微裂纹形核提出了形核控制的断裂模型： 节t 鼎 i ( 1 - 9 ) 其中：砀为育效切应力，f ，为屈服应力，f ，为晶格阻力，材为切变模量，r 为 泊松比，为表面能，d 为半长滑移带。相当于1 2 晶粒直径。当有效剪切应力超 过临界值时，形核的显微裂纹将扩展。他认为裂纹形核是解理断裂中最困难的阶段， 因此解理断裂是起裂控制。同时得到解理断裂应力仉的表达式： 7f 2o o + k f d 一1 2 ( 1 1 0 ) 由位错反应形成裂纹的模型所需的能量大为降低，因而c o t 嘛i 】采用能最观点 确定裂纹形成条件，提出断裂过程并不普遍都是形核控制，相反他提出，在韧性材 料中的许多断裂过程是扩展控制并提出断裂应力与晶粒尺寸的函数如下： 盯，气：警d 2 ( 1 - 1 1 ) 兰州理工大学颂士学位论文 绪论 其中o ，为解理断裂应力，为切变模量，为有效比表面能，k ，为一常数，d 为晶 粒直径。由s t r o h 和c o t t r e l l 提出的模型也就提供了钢中解理断裂模型的基础，。 c o t t r e l l 模型只考虑了晶粒尺寸，没有考虑钢中脆性粒子的作用，不能解释第二 相和碳化物对解理断裂的贡献。m c m a h o na n dc o h e n i t 4 的实验表明了碳化物粒子对 解理断裂的作用。晶粒边界的碳化物粒子在塑性变形中首先开裂，形成裂纹核，随 后扩展到铁素体基体，由于铁素体的有效表面能大于第二相，裂纹扩展困难，因而 也说明了断裂是扩展控带扎基于这些实验观察，s m i t h f l 纠根据低碳钢中未扩展的解 理裂纹总与开裂的碳化物相连这一事实，认为碳化物的开裂是位错塞积和解理裂纹 扩展的中间环节，结合碳化物微粒使用位错分析，认为解理断裂的临界事件是第二 相粒子裂纹在外加正应力和位错积塞产生的正应力的共同作用下进入相邻的铁素 体晶粒。据此得到了如下的断裂判据： ( 1 - 1 2 ) 其中：q 为晶界碳化物的厚度，l 为有效切应力，r ，为晶格阻力，儿为铁索 体的有效表面能，d 为晶粒直径。 r i t e h i e 、k n o t t 和r i c e t l 6 提出了r k r 模型。他们指出：尖锐裂纹试样的断裂， 只有在距裂纹尖端某个“特征距离”处的正应力达到解理断裂应力时才会发生。他 们还指出这个特征距离与微观结构尺寸有关。r k r 模型认为：首先引起起裂的第 个晶界碳化物，承受大于解理断裂应力的应力状态，它距裂纹尖端有一个晶粒直径； 其次在距裂纹尖端两个晶粒直径处必须达到解理断裂应力并发生失稳扩展。因此他 们选定两个晶粒直径作为特征距离x o 。c u r r y 和k n o t t t 堪1 修订了r k r 模型两个晶 粒直径的特征距离，他们认为断裂会从最大可观察到的碳化物粒子处起裂，这个碳 化物粒子具有最低的强度( 即最薄弱环节) 。他们的特征距离与裂纹前端高应力区 的体积有关，在高应力区内必须确保存在一个“合适常开裂粒子，并在此处满足断 裂判据：仃。町。 b o w e n 1 9 j 提出了“过程区”这一概念，他根据有限元分析的结果将“过程区” 定义为拉应力大于等于0 9 5 0 0 的区域，只有在过程区内，拙应力才足以使微裂纹扩 展。他认为r k r 模型之所以不能提供断裂韧度对温度依赖性的精确预测，因为它 是以“过程区”尺寸不随温度变化为依据的，事实上特征距离x 。就代表了断裂韧 度的下限。r k r 模型未能意识到活性微裂纹晶核的尺寸分布是随温度变化的，正是 这个原因使得模型预测和实验数据不能很好的相吻合 基于r k r 模型及此模型本身存在的缺陷t h e n ，w a n g i 2 0 , 2 1 1 提出了他们的断裂模 型： 基于裂纹三判据： f ，以保证裂纹形核，应变大于临界应变。 稀 l 叩ll 0 一t o 卜j g d j，l 4 一万 + 一 ： + ， 户 g 了 ， 兰型翌壬查兰塑圭堂垡堡塞 ! 兰堡l 仃。o r 。巧 确保形核后的微裂纹不被钝化，保证三向应力度大于临界三向应 力度。 o j ( y2 盯r 保证微裂纹能够扩展，正应力大于临界断裂应力 同时提出了最小距离的概念，指出断裂位篝存在一个最小距离。以及活性区的 概念，认为在这个模型中存在一个断裂活性区，这个活性区是由f 应力和三向应力 度决定的，只有在活性区内的薄弱组元才有可能起裂并引发整个试样断裂。 t e t e l m a n 2 2 1 等人用滑移线场分析研究了缺口根部半径对盯，的影响，发现根部半 径大于0 2 5 r a m 以后，随根部半径增加，盯，降低。c h e l a 和w m l 9 1 2 3 1 等人的研究中也 发现缺口和裂纹试样侧得的叮，值不同，他们将这一现象归因于两种试样在解理断 裂中临界事件的不同。缺口试样解理断裂的l 临界事件是铁索体晶粒尺寸裂纹的扩 展，测得的盯，值较低。而裂纹试样，在很低的温度下临界事件是起裂控制，在较 低温度下，临界事件是第二榴粒子尺寸裂纹的扩展，测得的盯，值较高。 2 4 t 2 5 i 并且 发现缺口试样的韧性和盯，主要由5 的最大铁索体晶粒决定的，裂纹试样的韧性和 d ，主要由粗大的第二相粒子决定，这些第二相为碳化物、夹杂物、珠光体团。 缺口试样的解理断裂一般认为服从拉应力判据。近年来w a n g i 孙) 等的研究发现， 低温下缺口试样的解理起裂主要发生在应力峰值的左侧，说明占。s 。也是试样解 理断裂满足的一个条件，从而提出了缺口试样解理断裂的双判据： s 。s 。以保证裂纹形核应变大于临界应变 盯一吁 保证徼裂纹能够扩展，正应力大子临界断裂应力 因为对于缺口来说，一旦同时应力条件满足，则兰向应力度条件也一般满足。 c h e na n dw a n g 怛“1 等还研究了缺e l 试样解理断裂的l | 每界事件和影响盯，的因 素。发现在不太低的温度下，缺口试样的解理断裂的临界事件是铁素体晶粒尺寸的 微裂纹向邻近的基体扩展；当温度降低， 玎1 预应变升高时，缺1 2 1 试样的解理断裂都 是由扩展控制向扩展复合控制逐渐转变为起裂控制；晶粒粗化和预应变使这一转变 温度升高。同时发现：缺口尺寸，加载方式，热预应力，拉伸预应变等对测定 值基本没有影响。盯，主要由钢组织中的晶粒尺寸所决定，是一个稳定的潜在的材 料韧性参数。 1 2 3 基于损伤的断裂力学 对于实际材料的破坏过程，微观缺陷的萌生，发展和宏观裂纹的出现，扩展是 紧密联系的。材料的破坏般是由于损伤的集中发展和演化，最终导致宏观裂纹的 出现t 宏观裂纹出现后，微观的损伤结构继续演化，并且进一步接动宏观缺陷的发 展。破坏或断裂是一个从原子键尺度到宏观尺度跨越的过程，断裂过程贯通宏、细、 6 兰型里三查堂塑= ! ；：堂垡丝兰 一! ! ! l 微观多个层次尺度。材料的本构行为采用宏、细、微观相结合的描述，即在材料构 元中体现特定的微结构。材料的宏观响应与其细观结构是有着本质联系的，通过对 多种韧性金属材料的研究发现，金属材料的韧性损伤、破坏过程般可分为三个阶 段，即在一定条件下孔洞绕夹杂或第二相粒子形核、扩张和聚合，由此导致材料中 宏观裂纹的萌生和断裂。 材料的损伤机制主要分为两类网：类是微裂纹的形成、扩展和汇合，最后形 成宏观裂纹，称为脆性损伤机制；另一类是微孔洞的形核、长大和汇合，称为韧性 损伤机制。这两类机制在不同材料细观结构中和不同的加载条件下所表现出的性质 会有很大差别，因此从材料的宏观性质来讲，损伤又可以分为弹脆性损伤、弹塑性 损伤、疲劳损伤、蠕交损伤，剥落损伤等。针对于各种各样的损伤，力学家们已经 提出了几十种损伤模型，例如：g u t s o n 、k r a i c i n o v i c 耻哪、j u 和l e e f 3 唧等。宏观损伤 力学又称为连续损伤力学或唯象损伤力学，它不问损伤的物理背景和材料内部的细 观结构变化，而是从唯象学角度出发，引入标量或矢量形式的损伤变量来表征材料 损伤的程度，通过构造材料的损伤本构关系和演化方程。使理论预测和实验结果趋 于一致。目前，连续损伤力学发展正处在一个百家争鸣，优胜劣汰的阶段。建立连 续损伤理论的主要目的是模拟材料的宏观行为而不是解释材料变形至破坏的本质， 因此，连续损伤理论更容易为工程设计人员所接受，并在结构设计、寿命预测、强 度校核等工程实际问题中得到应用，细观损伤力学，是从材料的细观结构出发，对 不同的损伤机制加以区分，通过对细观结构交化的物理过程的研究了解材料破坏的 本质和规律，并通过一定的平均化方法导出材料的宏观性质。【3 i l 细观损伤力学主要 研究尺度范围介于连续损伤力学和微观损伤力学之间的材料细观结构如微裂纹、微 孔洞、剪切带、晶界等的损伤演化过程。它一方面忽略了损伤的过于复杂的微观物 理过程，避免了微观统计力学的繁琐计算，另一方面又包含了不同材料的细观几何 构造，为损伤变量和损伤演化方程豹建立提供了一定的物理背景。 因此将断裂力学与损伤力学相结合，将细观损伤的概念带入到宏观弹塑性断裂 问题的研究中，将有助于我们全面深刻认识材料损伤的演化到宏观微裂纹产生、从 裂纹稳定扩展到材料完全断裂失效这样一个内在相互关联的复杂破坏过程。细观的 角度研究构件起裂以及裂纹稳定扩展过程中裂尖断裂过程区的力学行为是经典弹 塑性断裂理论难以胜任的淘题，基于损伤的断裂力学将有助于我们更深入，更广阔 地理解和判断材料的断裂过程和内在的物理本质，对于丰富和发展宏观断裂力学的 理论及其应用研究是非常有意义的， 1 2 4 韧性材料的孔洞损伤 对于延性材料例如大部分金属，微孔洞的形核、长大与汇合是损伤破坏的主要 机制。微孔洞主要形核于二相粒子处，由于二相晕立子与基质材料的界面脱粘或二相 粒子的自身断裂而形核，由于周围材料的塑性变形而长大，最后相邻孔洞之间基质 材料的颈缩失稳或剪切( 局部化) 帮造成微孔洞汇合和材料的延性断裂。经典塑性 理论中通常不考虑塑性体积变形，认为静水应力不影响材料的屈服，这种简化对损 伤很小的塑性变形初期阶段是有足够精度的。但对于多孔韧性材料，微孔洞的不断 形核和长大，使褥上述假设不再成立。因此从微孔洞的研究出发，发展考虑细观损 伤的塑性理论势在必然。 微孔洞损伤的早期研究主要集中于无限大基质中的孤立孔洞的长大。1 9 6 2 年 7 兰型些三盔兰塑主堂垡笙兰一二! 壁l b e r g i s 2 】性研究了无限大线性粘性基质材料中椭圆形截面的圆柱形孔洞的长大规 律。1 9 6 8 年，m c c l i n t o c k l 3 3 对理想刚塑性基质中的圆截面和椭圆截面的柱状孔洞进 行了分析，得到了孔洞长大的解析解，被认为是延性断裂细观力学研究的一项，y 崦u 性工作。此后很多研究者就不同的孔洞几何形状和基质材料模型，采用不同的分析 方法研究了孔洞长大的规律。r i c e 和t r a c e y i s 4 】利用r a y l e i 曲r i t z 变分方法得到了理 想刚塑性基质中孤立球状孔洞长大的近似解： 去地z s s 唧( 等 e 3 3 r l “o ( 1 1 3 ) 其中：r 为孔洞半径，e ”为宏观的轴向拉伸应变率，。m 为远场静水应力，为基 质材料的屈服应力。t r a c e y 用变分方法进步考虑了应变强化基质中椭圆形截面的 柱状孔洞，得到了孔洞长大的上下限。在对理想弹塑性体中孔洞失稳的研究中， h u t c h i n s o n 和t v e r g a a r d 3 5 1 ，发现理想塑性基质中弧立球状孔洞的长大率的有限元结 果比r i c e t r a c e y 的结果大5 0 左右。h u a n g i 弘 对此偏差进行了分析，发现在 r a y l e i g h - r i t z 方法中选取足够多的项数时，理论结果与有限元分析取得一致，于是 把式( 1 ，1 4 ) 修正为： 去地4 2 7 唧( 薏 局3 霞 “o7 ( 1 。1 4 ) 关于非孤立孔洞的研究，即考虑孔洞之间的交互作用，可以从两方面入手，其 是在所讨论的细观力学问题中引入多个孔洞，其二是考虑孔洞体积百分比的影 响，建立基于有限体积胞元的细观力学理论。n e e d l e m a n 对理想弹塑性材料中双向 周期分布的圆柱形孔洞进行了有限元数值分析，发现孔洞体积百分比f 对孔洞的变 形及材料的宏观响应有明显影响。a n d e r s s o n ”】用数值方法研究了平面应变条件下裂 纹尖端的孔洞长大和汇合行为。d u v a t s g l 就不同的三轴应力比的范围，给出了包含参 数f 的孔洞长大公式，并建立了多孔材料的本椅关系。l i c h t 和s u q u e t e w l 给了幂硬 化基质中的有限壳元含圆柱形孔洞的解析表达式： ： 1 ，2 v 一 ， ， l ：士o ( 1 + x2 ) 丁d x f 4 坐坚二_ d x ( 1 - 1 5 ) 盯33 一盯】1 3 df 。， 山x 上式表明孔洞的长大明显地依赖于f 。 1 9 7 5 年g u r s o n 在m c c l i n t o e k t 3 朝，r i c e 和t r a c e y t 3 4 l 等工作的基础上发展了套 比较完整的本构方程，用以描述微孔洞损伤对材料塑性行为的影响，这是损伤力学 和细观力学的一个重大进展。g u r s o n 提出了有限大基体含微孔洞的四种体胞模型， 通过构造体胞中机动允许的速度场，得到了多孔介质的屈服面函数。其中对于有限 球体中的球形孔洞胞元，屈服面表示为： n甲p 囝( 。，歹) = ( 旦) 2 + 2 f o o s h ( 一三警二一) 一( 1 + ，2 ) ( i - 1 6 ) 兰州理工大学坝：匕学位论文 绪论 g u r s o n 模型受到了普遍欢迎，并在多方面得到了发展、完善和应用。t v e r g a a r d 建立了一种更一般的屈服面形式。 呱，1 ) - ( 虽2 + 2 9 。蚺吾擘：专- ( i 广) ( 1 1 7 ) m e a r 和h u t c h i n s o n t 4 0 g u r s o n 模型推广到组合强化的基质材料情况。王自强 和秦嘉亮【4 ”，分析了含孔洞非线性材料的宏观本构势和孔洞扩展率，发展了g u r s o n 方程，使之适用于不同硬化指数的情况。韧性材料的微孔洞损伤是一种很复杂的损 伤机制，微孔洞的扩展过程一般涉及到大变形，对材料性质的影响也是多方面的。 而且孔洞间的相互作用、基质硬化和软化的影响、孔洞扩展引起的各向异性、孔洞 形状的变化、多级孔洞的损伤机理、动态损伤、材料破坏前的孔洞演化和汇合等都 是很复杂的问题，值得迸一步深入研究。 1 2 5 损伤力学的发展和展望 综上所述，经过近二、三十年的发展，损伤力学已经取得了相当丰富的研究成 果，其研究范围涉及到各种材料( 例如金属、岩石、陶瓷、聚合物、复合材料和新型 结构材料) 和各种载荷因素( 例如机械载荷、温度载荷、辐射、腐蚀) ，并已在很多方 面得到了不同程度的应用。但是，总的来讲，损伤力学还是一门不够成熟的学科， 无论从理论、计算方面还是从实验、应用方面都有待进一步的研究。今后发展的几 个值得研究的问题； ( 1 ) 将损伤力学与材料科学、物理学相结合，通过引入材料细观或微观结构、 变形物理机制和损伤几何构形、建立宏、细、微观相结合的破坏力学，具有重要的 理论意义和应用价值，它将为材料强韧化、材料设计和优化、失效分析等提供先进 有效的理论工具。 ( 2 ) 损伤力学理论的进一步完善和发展，仍是一个非常重要的问题。目前，人 们对材料损伤的细观机制和物理过程的认识尚不够深人，在损伤的描述、损伤演化 方程的建立、损伤材料力学行为的分析等方面都没有完全解决。损伤力学理论的发 展有两种趋势，其一是从严格的热力学、理性力学盼撰架出发，建立具有普遍意义 的损伤力学理论，其二是跌具体的工程问题和材料出发，分门别类地寻求适当的损 伤力学模型，这两种趋势都是有意义的。 ( 3 ) 随着计算机技术的发展，发展新的计算方法和编制考虑材料损伤的计算程 序，使之为结构设计、寿命预测等工程问题和理论研究服务，也是一个很重要的任 务。建立含损伤结构的变分原理，把现有的有限元或边界元等计算手段和程序推广 应用于含损伤结构的分析，已经引起了人们的兴趣并可望得到快速发展。 ( 4 ) 发展和利用先进的实验测试手段， 理过程，可以增进人们对材料世界的认识 更深入她了解材料破坏的细观机制和物 推进损伤理论的发展。 ( 5 ) 现有的损伤力学主要是在经典的弹性力学、塑性力学、断裂力学等的基础 上发展起来的，突破传统力学框架的束缚，将数学、物理学中新的手段引入损伤的 研究，也得到了越来越多的重视。目前，混沌、分形、逾渗和重整化群的方法以及 统计物理学等相继在材料的损伤研究中得到应用，并成为一个重要的发展方向，这 将在更深的层次上揭示材料破坏的本质。 兰型型王查堂堡兰些笙苎 一一! i ! 垒一 ( 6 ) 现有的损伤力学理论都是针对于非生命材料建立的，这些材料的损伤一般 是不可逆的。而在生物体中，很多损伤是可阻逐渐修复的，因此发展生命材料的损 伤力学也是值得注意的一个发展方向。 1 3 本课题主要研究意义和内容 1 3 1 研究的意义 对于压力容器钢在低温下发生解理断裂的机理研究工作者已经做了很多的工 作。低温解理的发生，最重要的就是确定其临界事件。但是，在韧一脆转变温度区 内，对于裂纹试样当产生纤维裂纹后再发生解理断裂的临界事件还需要进一步的研 究。引入延性损伤理论和g u r s o n t v e r g a a r d - n e e d l e m a n 模型对压力容器用材料进行 延性损伤研究。 1 3 2 研究内容 1 针对压力容器钢材料1 6 m n r 在韧一脆转变湿度区内，缺口试祥和裂纹试样的三 点弯曲试验，进步探讨解理断裂的临界事件。 2 研究在解理断裂过程中裂尖的应力应变场的分布，迸一步论证综合三判据的适用 性。 3 在引入g u r s o n t v e r g a a r d o n e e d l e m a n 模型后，利用a b a q u s 软件对缺口试样进行 了数值模拟。 兰州埋工大学硕士学位论文 实验和计算方法 第二章实验和计算方法 2 。l 实验材料 试验材料为1 6 m n r 压力容器钢，其化学成分如表2 - 1 中所示 表2 - 11 6 m n r 钢的化学成分 为了获得不同尺寸的晶粒，分别将试样毛坯进行了如下的热处理： 1 ) 将试样毛坯加热到1 2 5 0 。c ，保温3 小时后，随炉冷却到室温，得到分布均 匀的铁素体、少量珠光体和晶界碳化物组织。 2 ) 把上面处理过的毛坯加热到1 2 5 0 ，保温5 0 分钟，随炉冷却到室温，得到 粗壮的晶粒，即粗晶组织；把试件加热到9 0 0 ( 2 ，保温4 5 分钟，随炉冷却到室温， 得到较细的晶粒，即细晶组织。如下图所示： ( a ) 粗晶材料 图2 - 1 材料的显微组织 ( b ) 细晶材料 这样就得到了均匀组织结构。铁素体、少量珠光体和碳化物的尺寸分布是在图 象处理软件上分别对十张金相照片中的所有相组织进行测量，并分别测量各组元的 横向直径d 和纵向直径d ：，取标称直径d = 百、石作为各组元的尺寸。然后对 测得的数据进行统计处理。铁素体、少量珠光体的尺寸分布分别如图2 - 2 ( a ) 、( b ) 、 ( c ) 和( d ) 所示，粗晶铁素体和珠光体的平均尺寸分别为5 5 2u m 和4 6u m ，细 晶铁索体和珠光体的平均尺寸分别为3 0 3 a m 、2 6 3 x m 。 兰州理工大学坝二卜学位论文 实验和计算方i 当 ( a ) 粗晶中铁素体晶粒尺寸分布图 ( b ) 粗晶中珠光体晶粒尺寸分布图 ( c ) 细晶中铁索体晶粒尺寸分布图 兰州理工大学硕士学位论文 实验和计算方法 ( d ) 细晶中珠光体晶粒尺寸分布图 图2 2 材料中各组元的尺寸分布 2 2 试样制各 2 2 1 标准拉伸试样 标准拉伸试样按图2 - 4 取样，直径为8 m m ，标距长度为5 0 m m 的试样，其尺寸 如图2 - 3 所示： 图2 - 3标准拉伸试样几何尺寸( t r i m ) 2 2 2 三点弯曲c o d 试样 试样在钢板中的取样方式为l w 方式，取样示意图如图2 - 4 所示 图2 4 试样的取样方式 3 兰型翌三盔兰堡主堂壁造苎 一! 堕翌生塑! ! 望 试样毛胚从钢板中取下后，经过热处理和机械加工后先用c k x 一2 a j 型线切割 机加工直缺口，然后再在高频疲劳试验机( 频率为3 0 h z ) 上开疲劳裂纹。制备好 的试样尺寸为1 2 2 4 ) ( 1 t 7 ，如图2 - 4 所示： 2 2 3 缺口试样 图2 - 4 三点弯曲c o d 试样几何尺寸( i i l i n ) 试样在钢板上取样方式同c o d 试样，盔过热处理和机加工后在c k x 2 a j 型线 切割机加工成缺口。如图2 - 5 所示： 2 3 宏观力学试验 2 3 1 标准拉伸试验 图2 5缺口试样的几何尺寸 拉伸试验在3 0 2 c 范围内，在s h i m a d z ua g 1 0 t 万能拉力机上进行， 拉伸速度为l m m m i n 。用无水乙醇作为冷却介质，用液氮作致冷剂( 1 9 6 。c 下液氮 作为冷却介质) ，自动记录加载时的载荷位移曲线，并通过曲线测量材料的屈服 应力“，、抗拉强度“、表观断裂应力“，、加工硬化指数h 以及加工硬化系数丘。 在测量h 和k 的过程中，要先在曲线上测出名义应力仃和名义应变占，然后再通过 下面的关系式将其转换为真应力仃和真应变s 仃= 盯( 占+ 1 ) o c , = i n ( 占+ 1 ) 然后利用h o l l m o n 关系式： 兰州理工大学硕= 学位论文 实验和计算方法 盯= k s “ l g 盯= l gk + 门l g 占 应用o r i g i n 软件做出l g o - l g c 直线，其斜率即为加工硬化指数”，截距为l g k ， 再经过对数转换就可得