（材料学专业论文）初始损伤对后续损伤演化和断裂的影响及机理.pdf

摘要 本文主要通过有限元( f e m ) 模拟计算及和实验的对比对金属材料中的初始损伤对 后续延性损伤演化和断裂行为的影响进行了研究。用g t n ( g u r s o n ，t v e r g a a r d ，n e e d l e m a n ) 损伤模型对c m n 钢缺口拉伸试样延性断裂的预测研究表明：当缺口根半径r 2 m m 时， g t n 模型对缺口拉伸时的最大载荷p m 、起裂载荷p i 、断裂载荷p f 和断裂功e 的预测 值与实验值较为接近。而当r 2 m m 后，预测值与实验值的偏差变大。其原因在于g t n 模型是基于微孔洞长大和聚合的延性断裂机理而建立，对于根半径较小，促使孔洞长大 的三向应力度较高的缺口试样较为适用。g t n 模型预测的三个特征载荷，尤其是表征 韧性的断裂功e 的值总体上高于实验测定值，并且其预测的延性起裂位置在r l m m 时也与实验观察不一致。其原因是g t n 模型未考虑实际材料组织中初始的夹杂物孔洞 的尺寸、形态、分却和方位对损伤演化和断裂过程的影响。 对缺口i j 仞始大尺寸夹杂孔洞分布对延性裂纹扩展的影响的研究表明：当同等大小 的孔洞呈周期性均匀分布时，高三向应力区决定了延性裂纹起裂位置，裂纹扩展路径比 较平直，裂纹扩展阻力低，材料韧性低。当同等大小的孔洞呈随机分布时，高三向应力 区和孔洞间距共同决定了延性起裂位置，裂纹呈“之”字路径扩展，与实验观察吻合， 裂纹起裂和扩展韧性较高；当不同大小的孔洞呈随机分布时，损伤孔洞尺寸、三向应力 度和等效塑性应变ep 的大小共同决定了延性裂纹的起裂，分立的大尺寸孔洞诱导了裂 纹扩展路径，与实验观察非常相近，裂纹起裂和扩展韧性最高。从提高材料韧性的角度 看，在材料制备和加工中应尽可能降低大夹杂物孔洞的尺寸，减少大尺寸夹杂物的数量； 在空f h j 上，应尽可能使夹杂物随机均匀分布。 对热轧钢中的长条形初始损伤孔洞承受不同方向最大正应力时的后续损伤演化和 断裂过程的细观有限元力学分析研究表明：热轧钢中的长条形夹杂物与基体剥离后形成 的长条形孑l 洞在后续加载中，其周围产生的局部高应力应变集中及其相互作用，使孔洞 长大。孔洞长大行为存在明显的个体差异，个别大孔洞的快速长大和聚合，对材料破坏 起主导作用。当长条形孔洞承受不同方向的最大正应力加载时，孔洞周围产生的局部应 力应变分布及其相互作用不同，孔洞长大速率及其聚合时的临界外加主应变不同，相应 的材料延性起裂韧性不同。当最大正应力与孔洞长条平行时，韧性最高；垂直时，韧性 最低。 仞始损伤量和分布及基体材料性质对孔洞后续长大与聚合影响的f e m 力学分析研 究表明：当初始夹杂物孑l 洞面积分数小，尺寸越小时，孔洞越不容易形核；当夹杂物尺 寸较小时，随后形成的孔洞也相应较小，孔洞越小，孔洞之间的韧带越大，同时孔洞损 伤演化越均匀，材料的韧性越高。为了使材料韧性不降低，在材料的制备和加工中应产 生尽可能少的初始损伤。当夹杂物呈均匀分布时，孔洞不容易形核；呈团簇分布时，孔洞 容易形核。当初始孔洞均匀分布时，孔洞长大可以分为两个阶段：所有孔洞均匀长大阶 段和不平衡长大阶段，其对应的材料延性起裂韧性较高：但是当初始孔洞呈团簇分布时， 团簇内的个别孔洞主导了材料的破坏，其对应的材料延性起裂韧性较低。在夹杂物处形 成的大尺寸孔洞主导了损伤的演化过程( 形核、长大和聚合) ；但是钢中存在的碳化物 对材料韧性也存在一定的影响，当碳化物的尺寸变小后，材料韧性提高。当改变基体材 料性质以后，胞元中的等效塑性应变ep 和最大正应力01 1 的分布规律不变。但基体的 加工硬化行为越明显，材料越容易孔洞形核。材料越软时，大孔洞的长大和聚合越快， 材料的韧性下降。 关键词：损伤； 延性断裂；韧性；缺口试样；夹杂物；孔洞 a b s t r a c t l n t h i sp a p e r t h ee f f e c to fi n i t i a ld a m a g eo nd u c t i l ed a m a g ee v o l u t i o na n df r a c t u r ei n m e t a lm a t e r i a l si si n v e s t i g a t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) c a l c u l a t i o na n dac o m p a r i s o n w i t he x p e r i m e n t t h ed u c t i l ef r a c t u r ei nt e n s i l es p e c i m e n sw i t hv a r i o u sn o t c hr o o tr a d i u s e sf o r ac - m ns t e e lh a sb e e np r e d i c t e db yu s i n gg t n ( g u r s o n ，t v e r g a a r d ，n e e d l e m a n ) d a m a g e m o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a t ，i nt h ec a s eo fn o t c hr a d i u sr = 2 m m ，t h ep r e d i c t i o nv a l u e so f t h em a x i m u m1 0 a dp m 、f r a c t u r ei n i t i a t i o nl o a dp l 、f r a c t u r el o a dp fa n df r a c t u r ew o r kea r e c l o s et ot h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s b u ti nt h ec a s eo fr 2 m m ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e p r e d i c t i o na n de x p e r i m e n t a lv a l u e sb e c o m e sl a r g e t h er e a s o nf o rt h i si st h a tg t nm o d e li s b a s e do nt h ed u c t i l ef a i l u r em e c h a n i s mo fv o i dg r o w t ha n dc o a l e s c e n c e a n di ti ss u i t a b l ef o r t h es p e c i m e n sw i t hs m a l ln o t c hr a d i u st h a th a sh i g hs t r e s st r i a x i a l i t yf o rv o i dg r o w t h 1 1 1 e v a l u e so fg t nm o d e lp r e d i c t i o nf o rt h et h r e ec h a r a c t e r i s t i cl o a d s ，e s p e c i a l l yf o rt h ef r a c t u r e w o r kec h a r a c t e r i z i n gt o u g h n e s sa r eg e n e r a l l yh i g h e rt h a nt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s a n da l s o t h ep r e d i c t i o nf o rt h ef r a c t u r ei n i t i a t i o nl o c a t i o n si sn o tc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o ni nt h ec a s eo fr = l m m n er e a s o n sf o rt h e s ea r et h a tt h ee f f e c t so ft h es i z e m o r p h o l o g y , d i s t r i b u t i o na n do r i e n t a t i o no ft h ei n c l n s i o n s v o i d so nt h ed a m a g ee v o l u t i o na n d f r a c t u r ep r o c e s sh a v en o tb e e nc o n s i d e r e di nt h eg t nm o d e l am e c h a n i c a la n a l y s i sh a sb e e nc o n d u c t e do n an o t c h e ds p e c i m e nt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t o fv a r i o u sd i s t r i b u t i o n so fl a r g ei n i t i a li n c l u s i o n s v o i d so nt h ec r a c kp r o p a g a t i o np r o c e s s t h e r e s u l t ss h o wt h a t w h e nt h ed i s t r i b u t i o n so fi n i t i a li n c l n s i o n s v o i d sw i t ht h es a m es i z e sa r e p e r i o da n du n i f o r m ，t h ez o n ec o v e r e db yh i g hs t r e s st r i a x i a l i t yd o m i n a t e dt h ef r a c t u r e i n i t i a t i o n ，a n dt h ec r a c kp r o p a g a t i o ni sv e r ys t r a i g h t ，a n dt h ec r a c kp r o p a g a t i o nr e s i s t a n c ea n d t o u g h n e s sa r el o w e s t w h e nt h ed i s t r i b u t i o no ft h ei n i t i a li n c l u s i o n s v o i d sw i t ht h es a m es i z e s i sr a n d o m ，b o t ht h ed i s t a n c e sb e t w e e nv o i d sa n dt h ez o n ec o v e r e db yh i g hs t r e s st r i a x i a l i t y d e t e r m i n et h ef r a c t u r ei n i t i a t i o nl o c a t i o n ；a n dt h ec r a c kg r o w t hp a t hi s z i g z a g ，w h i c hi s a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t ，a n dt h ec r a c ki n i t i a t i o na n dg r o w t ht o u g h n e s sa r eh i g h w h e n t h ed i s t r i b u t i o po ft h ei n i t i a li n c l u s i o n s v o i d sw i t ht h ev a r i o u ss i z e si sr a n d o m ，t h ed i m e n s i o n o fv o i d s ，t h ez o n ec o v e r e db yh i g hs t r e s st r i a x i a l i t ya n de q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i nc pd e t e r m i n e t h ef r a c t u r ei n i t i a t i o nl o c a t i o n ，a n dt h eb i gv o i d sd e t e r m i n et h ec r a c kg r o w t hp a t h ，w h i c hi s v e r yc l o s ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n ，a n dc r a c ki n i t i a t i o na n dg r o w t ht o o g h n e s sa r e h i g l l e s t i no r d e rt oi n c r e a s et h et o u i g h n e s so fm a t e r i a l ，t h en u m b e ra n ds i z eo fb i gv o i d s s h o u l db er e d u c e d 。t h ed i s t r i b u t i o no ft h ei u i t i a l i n c l u s i o n s v o i d ss h o u l db er a n d o m am e s om e c h a n i c a la n a l y s i sh a sb e e nc o n d u c t e do nah o t r o l l i n gs t e e lo f1 6 m n rt o i l l i n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h ee l o n g a t e dp r e - d a m a g ev o i d so nt h es u b s e q u e n td a m a g ee v o l u t i o n a n df r a c t u r ep r o c e s su n d e rt h em a x i m u mn o r m a ls t r e s s e sw i t hv a r i o u sd i r e c t i o n s t h ea n a l y s i s r e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nt h ee l o n g a t e dv o i d sd u et ot h ed e c o h e s i o no ft h ei n c l u s i o n sf r o mb a s e m a t e r i a la r el o a d e ds u b s e q u e n t l y t h el o c a lh i g hs t r e s sa n ds t r a i nc o n c e n t r a t i o na r o u n dt h e v o i d sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n sp r o m o t et h eg r o w t ho fv o i d s t h e r ei sd i s t i n c td i f f e r e n c eb e t w e e n t h eb e h a v i o r so fv o i d s g r o w t h t h er a p i dg r o w t ha n dc o a l e s c e n c eo faf e wb i gv o i d s p r e d o m i n a t e st h ef a i l u r ep r o c e s so ft h em a t e r i a l w h e nt h ee l o n g a t e dv o i d sa r cl o a d e db yt h e m a x i m u mn o r m a ls t r e s sw i t hd i f f e r e n td i r e c t i o n s ，t h ed i s t r i b u t i o n so fl o c a lh i g hs t r e s sa n d s t r a i na r o u n dt h ev o i d sa n dt h e i ri n t e r a c t i o n sa r ed i f f e r e n t ，w h i c hc a u s e sd i f f e r e n tg r o w t hr a t e s o fv o i d sa n dt h ec r i t i c a l l ya p p l i e dn o r m a ls t r a i no fc o a l e s c e n c e ，t h u st h ec o r r e s p o n d e n td u c t i l e f r a c t u r ei n i t i a t i o nt o u g h n e s si sd i f f e r e n t w h e nt h em a x i m u m n o r m a ls t r e s si sp a r a l l e lt ot h e e l o n g a t e dv o i d s ，t h et o u g h n e s si sh i g h e s t ；w h e np e r p e n d i c u l a rt ot h e m ，t h et o u g h n e s si s l o w e s t n ee f f e c t so ft h ea m o u n ta n dd i s t r i b u t i o no ft h ei n i t i a ld a m a g ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h eb a s em e t a l so nt h es u b s e q u e n td a m a g ee v o l u t i o na n df r a c t u r ep r o c e s sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , w h e na r e af r a c t i o no fi n i t i a li n c l u s i o n s v o i d sa n dt h e i n c l u s i o ns i z e sa r es m a l l , t h en u c l e a t i o no fv o i d si sd i f f i c u l t ，a n dt h ec o n s e q u e n tv o i dg r o w t h r a t ei ss m a l l ，a n dt h et o u g h n e s si sh i g h i no r d e rt oe n h a n c et h et o u g h n e s so fm a t e r i a l ，t h e h u m b e ra n ds i z eo fi n i t i a lv o i d ss h o u l db ed e c r e a s e d w h e nt h ed i s t r i b u t i o no fi n c l u s i o n si s u n i f o r m ，t h en u c l e a t i o no fv o i d si sn o te a s y ；w h e nc l u s t e r e d ，t h en u c l e a t i o no fv o i d si se a s y t h ed i s t r i b u t i o no fv o i d si sd e t e r m i n e db yt h ed i s t r i b u t i o no fi n c l u s i o n s w h e nt h ed i s t r i b u t i o n o ft h ei n i t i a lv o i d si su n i f o r m ，t h ep r o c e s so fv o i dg r o w t hi n c l u d e st w os t a g e s ，t h a ti s ，u n i f o r m g r o w t hs t a g ea n dn o u n i f o r mg r o w t hs t a g e ，a n dt h ef r a c t u r ei n i t i a t i o nt o u g h h e s so ft h e m a t e r i a l si sh i g h h o w e v e r , w h e nt h ed i s t r i b u t i o no ft h ei n i t i a lv o i d si sc l u s t e r e d 。af e wv o i d s d o m i n a t et h ef a i l u r eo fm a t e r i a l ，a n dt h ef r a c t u r ei n i t i a t i o nt o u g h n e s so ft h em a t e r i a l si sl o w a l t h o u g ht h ei n c l u s i o n sw i t hl a r g es i z e sd o m i n a t et h ed a m a g ee v o l u t i o np r o c e s s ( v o i d s n u c l e a t i o n ，g r o w t ha n dc o a l e s c e n c e ) ，t h ec a r b i d e sa l s oh a v es o m ee f f e c to nt h et o u g h n e s so f m a t e r i a l w h e nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eb a s em e t a l sa r ec h a n g e d ，t h ed i s t r i b u t i o n so f e q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i ne pa n dm a x i m u mn o r m a ls t r e s ss1 1 a r ea l m o s tt h es a n l e b u tw h e n t h ew o r kh a r d e n i n go ft h eb a s em a t e r i a li ss t r o n g ，t h en u c l e a t i o no ft h ev o i d si se a s y w h e n t h eb a s em a t e r i a l sa r es o f t ，t h er a t eo ft h eg r o w t ha n dc o a l e s c e n c eo fl a r g e rv o i d si sl a r g e ，a n d t h et o u g h n e s so ft h em a t e r i a l si sl o w k e yw o r d s ：d a m a g e ；d u c t i l ef r a c t u r e ；t o u g h n e s s ；n o t c h e ds p e c i m e n ；i n c l u s i o n ；v o i d i v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：歹k 吹叁 日期：叼年g 月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 提贸蚕 ：嚣：芩茎幺乒日 1 1 工程背景 第1 章绪论 据统计，由于机件、构件及电子元件的断裂、疲劳、腐蚀、磨损破坏，每年造成巨大 的经济损失，占美、日、欧洲共同体等国每年国民生产总值的6 一8 。据我国劳动部统 计，我国在8 0 年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约五千起，人员累计伤亡近万人，居 国内劳动安全事故的第二位。我国锅炉和压力容器的爆炸事故比工业化先进国家高十倍， 其中恶性重大事故比工业化先进国家高一百倍。宏微观断裂力学研究可对防范上述破坏行 为产生重大作用。美国国家标准局和日本通产省的预测数字表明：利用目前和到2 0 0 0 年可 能发展的科学技术成果( 宏微观断裂力学是后者的核心内容之一) 可以避免上述事故中约 一半的损失，即产生达到当年国民生产总值3 一4 的经济效益。在我国开展断裂力学的宏 微观研究必将为降低破坏经济损失及显著减少劳动事故打下基础1 1 】。 材料在制备、加工( 塑性成形，机械加工，焊接，铸造等) 过程中通常会引入各种初始 冶金缺陷，如微裂纹，微孔洞，夹杂物等，同时会形成不均匀的细观组织结构。这些材料 在一定环境下( 温度，腐蚀介质，辐射，电，磁等) 受载( 拉，压，弯曲，疲劳等) 使用过程中， 这些初始冶金缺陷会扩展，合并，同时其不均匀的细观组织结构中由粗大晶粒，第二相 或夹杂物构成的薄弱组元在细观应力，应变的作用下不断地萌生出微裂纹，微孔洞。上述 这种材料在制备、加工过程中引入的各种初始冶金缺陷和后来在使用一段时间后( 如蠕 变和疲劳) 所萌生，长大的细观缺陷，我们可统称为初始损伤。其损伤基元包括各种尺寸 和形态的微裂纹，微孔洞，剪切带及相界面裂纹等。这些初始损伤基元在材料后续受载使 用过程中不断扩展，合并和相互作用，在宏观层次上影响材料的整体承载能力和加工硬 化行为：在细观层次上改变了材料细观组元中的局部应力应变分布，这些都会影响到 材料随后的损伤演化和断裂的过程，从而对材料的后续力学性能，如韧性，强度，塑性 和刚度等产生很大影响，进而对由材料所制成的结构的安全服役性及剩余寿命产生很 大影响。因此需要对材料在制备，加工及使用一段时间后的实际力学性能进行准确的预 测与评价，而这依赖于精确的材料损伤断裂模型的建立和模拟。而要建立精确的材料损 伤断裂物理一力学模型，需要对材料在最终使用状态中的初始损伤对后续损伤演化( 微 孔洞，微裂纹的形核，长大，聚合) 和断裂过程的影响及进而对材料力学性能影响的机理 与规律进行深入的研究，并达到科学的定量化认识。 本课题以典型金属材料作为研究对象，研究在含有初始损伤的实际材料中，初始损伤 微缺陷( 微孔洞，微裂纹) 对后续损伤演化与断裂影响的机理和规律，及进而对材料宏观 力学性能影响的机理与规律。其研究结果对于建立考虑实际材料中的初始损伤及损伤基元 间的相互作用的精确的材料损伤断裂物理一力学模型，进行精确的结构安全设计与寿命评 估，减少材料与结构失效事故的损失具有重要的理论和实际意义。同时对于发展材料的潜 力与创造新的抗损伤断裂的高性能材料具有重要指导意义。 初始损伤对后续损伤演化和断裂的影响 1 2 金属材料的损伤和延性断裂的研究现状 1 2 1 延性金属材料损伤的研究现状 k a d l a n o v 在1 9 5 8 年研究金属蠕变断裂过程时，首次引入了“连续性因子”和“有效 应力”的概念来描述低应力脆性蠕变损伤。r o b o t n o v 在1 9 6 3 年进一步引入了“损伤因子” 的概念。在这些概念的基础上，他们采用连续介质力学的唯像方法来研究材料的蠕变损伤 破坏过程。尽管从金属物理学的角度来看，这些研究没有严格地蠕变破坏的机制，但用宏 观唯象学方法导出的蠕变寿命公式仍能有效的应用于工程实际。此后一二十年间，这些概 念和方法主要局限于分析蠕变断裂。直到7 0 年代后期，由于核电站、能源工业、航天航空 技术等领域遇到了一些新问题，才使得材料损伤的研究受到了更多方面的重视。除 k a c h a n o v 、r a b o l n o v 外，法国的l e m a i t r e 、c h a b o e h e 、美国的k e m p l 、k r a j e i n o v i e 、日本 的m t a - a k a m i ( 村上澄男) 、瑞典的h u l t 、英国的m y h u r s t 和l e e k i e 等人采用连续介质力学 的方法，把损伤因子进一步推广为一种常变量，逐步形成了“连续介质损伤力学”这一门 新的学科。1 9 8 0 年5 月，国际理论与应用力学联合会( i n t a m ) 在美国c i n c i n n a t i 举办“有 关损伤与寿命预测的连续介质方法”研讨班。力学、材料科学和工程等一些著名国际期刊杂 志也发表了许多有关损伤力学的研究报道。损伤力学已在工程实际中成功地得到应用，解 决了诸如核电站管接头的低周疲劳，飞机涡轮发动片和轮盘的蠕变疲劳，混凝土梁的断裂， 金属塑性成形及复合材料压力容器损伤检测等一系列工程问题。 1 9 8 6 年，k a e h a n o v 出版了第一本有关损伤的专著。1 9 9 2 年，l e m a i t r e 出版了有关损伤 的教程。美国应用力学评论杂志从1 9 8 8 年正式开始将c d m 列入主题目录。损伤力学己成 为一门公认的固体力学新分支，它主要探讨以下五个方面的基本问题： ( 1 ) 如何扶物理学、热力学和力学的观点来阐明和描述损伤，引入简便、实用的损伤变 量。 ( 2 ) 如何检测损伤、监测损伤发展规律、建立损伤演变方程。 ( 3 ) 如何建立初始损伤条件和破坏准则。 ( 4 ) 如何描述和建立损伤本构关系。 ( 5 ) 如何将损伤力学的理论分析应用于工程实际问题。 八十年代以来，材料损伤断裂行为的研究进入了宏微观相结合的理论阶段。考虑材料 的微观组织结构，引入多层次的缺陷几何，追溯材料从变形、损伤至断裂的全过程。对于 金属材料的延性断裂，现己发现其机理包括同时发生并相互作用的几个过程网：通过第 二相，夹杂物的断裂或剥离形成微孔洞；在塑性应变和三向应力作用下的微孔长大； 微孔聚合而导致断裂，如图1 1 。基于这一机理建立了许多预测延性断裂的力学模型，典 型的有描述微孔长大的m c c li n t o c k 和r i c ea n dt r a c e y 模型及描述徽孔型延佳断裂行为的 g u r s o n 模型3 】。 2 形扳z 形摄长丈曩台 图i 1 孔洞损伤演化过程示意图 为了描述韧性材料细观损伤的机制及其演化过程，须建立适当的模型来描述材料的细 观结构。g u r s o n 摈弃了无限大基体的假设，提出了有限大基体含微孔洞的体胞模型。这种 模型更加接近于真实的材料细观结构，为损伤的描述以及宏观体积膨胀的塑性理论的建立 奠定了基础。 设基体为均匀的不可压缩理想刚塑性材料，采用m i s e s 屈服条件，设基体中的细观应 力和应变用o 。，和e 。表示，而宏观应力和应变用。，和e 。，表示。对于有限球体中的球形孔 洞单元，得到的屈服面为 晰班( 引2 蟛c o 幽( 斟t 小。 。， 式中f 为孔洞的体积分数。 后来t v e r g a a r d 和n e e d l e m a n 对g u r s o n 模型进行了修正，引入了三个修正参数q 1 、 q 2 和q 3 ，即 西( ) = 时嘞c o 蜮等h 铲。 “：， 以考虑微孔之间的相互作用和材料应变硬化的协同作用，并把微孔聚合引入了g t l r s o n 模 型。这就是基于细观的g t n 损伤模型。 尽管g t n 模型已广泛用来研究金属材料的延性损伤与断裂，但最近的研究【4 珂表明， 它仍然存在许多问题：( 1 ) 模型中有9 个材料常量，其物理意义不明确，难以直接测量，参 数间的相互影响也难以评价，需要用有限元模拟和实验测量进行标定，且标定的损伤参数的 材料移植性和几何移植性较差，并受网格尺寸的影响，不能实现稳定的延性预测；( 2 ) g t n 模 型未考虑材料中的初始损伤和应力状态对后续损伤演化与断裂的影响；( 3 ) 模型中用微孔体 积分数f 作为损伤变量，未包括孔洞尺寸，间距和形状的效应；也未反映实际材料的组织 夹杂孔洞的分布对损伤演化与断裂的影响。这些问题限制了g t n 模型对材料与结构的延性 损伤和断裂的预测能力。需要对其修正或发展更精确的模型。而基础性的工作是对含有初 始损伤的使用状态的实际材料组织中的微孔形核，长大和聚合的机理，规律及其影响因素 进行实验和f e r n 分析研究。 j p b a n d s t r a 和n a k o s s 等人对h - 1 0 0 钢延性断裂过程中的孔洞聚合进行了研究嘲。 3 鞫 一卜l 一 一 静萄：；蓼菇筵 初始损伤对后续损伤演化和断裂的影响 他们以观察到的夹杂物的实际分布为基础，提出了一种新的细观模型，该模型包括内核区 和边框区，如图1 2 所示。由于模型边界和内部的力学行为存在差别，边框区的存在主要 是为了减小边界的影响。他们发现当长条形孔洞之间的间距为7 5i lm ，方位与最大主应力成 4 5 度时，孔洞之间存在强烈的应变局部化；当孔洞方位合适，但距离较远时，孔洞之间不 存在强烈的应交局部化；虽然小孔洞形核需要很大的应变，但是小孔洞能促进大孔洞之间 应变局部化的开始；在仅包含小孔洞的微观结构中，孔洞团簇能形成强烈的应变局部化， 但仅限于团簇内部。 边框区 内棱区 图1 2 细观模型示意图 l m i s h n a e v s k yj r 和i c d e r r i e n 等人用概率统计的方法对s i c 粒子强化的筒构件的微观 结构对损伤演化的的影响进行了研究 7 1 。他们发现，当粒子呈团簇分布时，失效应变比粒 子呈均匀分布时小的多；与粒子呈均匀分布相比，团簇分布的粒子导致了流变应力和硬化 的微量增加。 x i a o s h e n g g a o 和t i a n h o n g w a n g 等人用三维、小变形屈服模型对相对的孔洞间距、孔 洞形状和体积分数对延性断裂韧性的影响进行了研究圈。他们的分析表明，当初始孔洞体 积分数很小时，裂纹前端只有一排孔洞的简化模型的精度就足够了。但是当孔洞体积分数 较大时，对于预测起裂韧性简化模型是足够准确的；但是该模型不能准确预测j 积分，因 为该模型高估了孔洞之间的相互作用。因此当初始孔洞体积分数较大时，有限元模型应包 含多排孔洞。 vj a b | o k o v , d m o o t o 和d a k o s s 对温度和应变速率对h y - 1 0 0 钢的变形和失效行 为的影响进行了研究嘲。研究表明，对于材料的变形行为，降低试验温度和增加应变速率 是等效的。应力状态对材料失效的影响是：在低三向应力度下，近似圆形的孔洞长大直到 通过颈缩而聚合；在高三向应力度下，孔洞片聚合机理控制了材料的破坏。随着三向应力 度的增加，失效应变迅速下降。 gg u i g l i o n d a 和w j p o o l e 通过实验对铝硅合金的微观损伤对整体延性的影响进行了 研究。微观损伤通过冷滚压而引入【1 0 l 。为了分离应变对损伤和加工硬化行为的作用，在冷 滚压引入损伤后，进行高温回火以消除应变对加工硬化的作用。研究表明，拉伸延性在很 大程度上是由富铁相的性质决定的。由于冷滚压可以导致富铁相的损伤，冷滚压可以大大 提高整体的延性。因此，微观损伤对于金属韧性的作用需要认真考虑损伤的性质和微观损 伤对于后续变形的影响。 j i n k o o kg & n 和x i a o s h e n gg a o 对应力三向度和初始孔洞对孔洞长大和聚合的影响进行 4 了研究。典型的材料体元可以通过两种方法进行模拟：( 1 ) 体元的中心含有一个球形的孔 洞；( 2 ) 体元含有相同的孔洞体积分数，并且遵循g - t 本构关系。g - t 模型中的细观参数q l 和啦被用来描述孔洞之间的相互作用。研究发现，应力状态对孔洞长大和聚合的影响不能 单独由三向应力度决定。相同的三向应力度可以对应多种应力状态，对于每一种应力状态， 宏观的应力一应变响应和孔洞长大和聚合的行为是不相同的。 f m g b i nb a o 和t o m a s zw i c r z b i c k i 研究发到1 2 1 ，在控制延性起裂的所有参数中，除了 应变强度外，应力三向度是最重要的参数。在试验和数学分析的基础上，得到了断裂应变 与应力三向度的定量关系曲线。该曲线表明，当应力三向度为负时，材料断裂由剪切的破 坏模式控制；当应力三向度很大时，材料断裂由孔洞长大的破坏模式控制；当应力三向度 介于上述两者之间时，材料断裂是上述两种破坏模式共同作用的结果。 i s a b i r o v 和o i g o l e d n i k 研究发现【1 习，对于低碳钢s t 3 7 来说，孔洞形核的局部条件是 由裂纹前端的个别夹杂物决定的。首先，孔洞形核时裂纹前端的开口位移由定量断裂表面 分析仪确定；然后，最大的界面应力由a r g o n 模型算出。研究表明，通过界面分离而孔洞 形核的局部条件在很大程度上受夹杂物尺寸的影响。随着夹杂物尺寸的增大，孔洞形核的 界面应力迅速下降。 a _ 九e c n z e r g a 和j b e s s o n 通过在室温进行拉伸和压缩实验对钢的变形和断裂进行了 研矧1 4 1 。圆棒用来描述塑性变形行为；带缺口的圆棒用来研究应力状态和试样取向对材料 韧性和断裂的影响。研究结果表明，热轧钢沿s 方向表现出很高的变形能力；硫化锰和氧 化物粒子均是孔洞在低应变下形核的地方；在拉伸试验中，内部颈缩是孔洞聚合的主要方 式。 1 2 2 初始损伤对金属材料后续损伤演化及断裂的研究现状 关于初始损伤对后续损伤演化与断裂影响的实验和理论研究工作相对较少。近年来的 一些工作主要包括： ( 1 ) 塑性损伤对复合材料的弹性模量，强度，流动应力，拉伸延性和断裂韧性的影响的研究 5 低1 7 1 。现已发现较大塑性应变时增强粒子的断裂或从基体的剥离造成的损伤降低了 复合材料的弹性模量，强度，流动应力和拉伸延性。但这些损伤降低了裂纹前端的应力 水平，有增加复合材料断裂韧性的作用。因而损伤对强度和韧性的影响效应是相反的。 损伤对复合材料这些力学性能的影响程度与材料的细观组织结构有关。 ( 2 ) 疲劳损伤对钢和复合材料断裂韧性的影响【馄堋。研究表明：随着疲劳峰值应力和疲劳 循环次数的增加，材料的断裂韧性降低，对于不同热处理状态及不同微观组织的材料 降低的程度不同。 ( 3 ) 焊接加工中产生的初始蠕变损伤对c r l h o v 钢焊接热影响区断裂韧性的影响网。结果表 明：蠕变损伤较低时( 蠕变孔洞低于1 5 ) 。对断裂韧性基本没有影响：蠕变孔洞损伤 较高时，钢的断裂韧性降低。 ( 4 ) p a r k 等口1 】研究了a l 合金加工中产生的初始孔洞及第二相粒子的尺寸和分布的变化对 后续低温超塑性变形的影响。表明初始孔洞在后续超塑性变形中的进一步长大，限制 初始损伤对后续损伤演化和断裂的影响 了超塑性的进一步发展。 ( 5 ) k o t r e c h 等圈研究了长期服役对管线钢拉伸性能和解理阻力的影响。发现长期服役使 钢的屈服强度提高，材料的解理韧性下降。 ( 6 ) 我们最近的初步研究结果： 王红，马进，杨伟顺对初始损伤对不同钢组织缺口试样解理断裂和延性损伤断裂的影 响进行了初步研究副凋。图卜3 为王红对c f 钢组织的研究结果。在常温下以正弯方式施 加不同的预载荷p o ( p o = 1 0 ，1 2 ，1 4p 盯，1 5 ，1 8 ) ，在缺e l 前端引入不 同的损伤量。而后的4 p b 反弯加载使缺口尺寸恢复到原来形状，以消除缺口根半径的影响。 然后再对这些试样( 包括未预加载的4 个试样) 进行高温回火处理以消除残余应力和加工 硬化的影响，分离出损伤因素。图1 3a ) ，b ) 分别为表征低温缺口解理断裂韧性的载荷比 p ，和常温延性起裂韧性的载荷比p 。随4 p b 试样预载荷比p o 的变化规律( p ，为解理 断裂载荷，p 。为延性起裂载荷，p o 为常温预载荷，为整体屈服载荷) 。由图可见，当预载 荷比p o 小于1 0 5 时，预载荷对缺口解