（材料加工工程专业论文）初始损伤对不同金属材料组织延性起裂韧性的影响及机理.pdf

摘要 本文通过对两种钢热处理后得到的三种材料组织的缺口试样在常温下进行不 同预载荷的四点正反弯曲实验，引入了不同的初始损伤量，并消除了缺口根半径 的影响，而后通过高温回火处理消除了残余应力和加工硬化，分离出了损伤因素。 随后在室温下进行四点弯曲加载和不同载荷的卸载实验。通过力学参数测量，微 观观察和有限元计算与细观模拟就初始损伤对不同钢组织延性起裂韧性的影响规 律和机理进行了研究。得到了以下主要结果： ( 1 ) 对于a 材料( 1 6 m n 细晶) ，当预加载荷比p d ，名，小于0 8 6 1 时，随着p d ，p 暑，的 增加，表征材料延性起裂韧性的只，砟，缓慢的下降：当p 0 ，乓，大于0 8 6 1 时， 随着p 口乓，的增加，尸f ，p 。，开始很快的下降。对于b 材料( c f 粗晶) 和c 材料 ( 1 6 m n 粗晶) ，当预加载荷岛p 。，小于0 8 6 1 时，随着p d ，乓，的增加，表征材 料延性起裂韧性的只，p g ，基本不发生变化，当p o ，p g y 大于0 8 6 1 时，随着p 口，b ， 的增加，p ，p 。，迅速的下降。三种材料的比较表明：在整个预加载荷范围内，b 材料的延性起裂韧性最高，a 材料最低。 ( 2 ) 当岛，p 静 0 8 6 1 后，损伤量f o 随p d 峨，的增加而迅 速增加。在相同的预加载荷比岛只，下，材料a 中的损伤量明显高于材料c ， 即细晶粒材料a 易于产生损伤，对预载荷下的损伤比较敏感。材料b 的损伤量 最低。 ( 3 ) 材料中较大的初始损伤使其延性起裂韧性降低，并且初始损伤的量越大，延性 起裂韧性降低的程度越大。在相同的载荷比p o p 。，下，初始损伤量大的材料延 性起裂韧性低。材料韧性随初始损伤量的增加而降低的原因是：由于材料在预 加载过程中引入了微孔洞初始损伤。在随后加载时，在孔洞之间及周围产生的 局部高应力一应变集中促使了初始孔洞以较大速率长大，并促使二次孔洞的形 核和长大及与一次大孔洞之间的过早聚合，从而使延性起裂韧性降低。 ( 4 ) 缺口前少量大尺寸孔洞的快速长大和聚合往往导致了延性起裂，即大尺寸夹杂 物孔洞主导了延性开裂。而现有的g u r s o n 模型中只用微孔体积分数f v 作为损 伤变量来描述损伤孔洞对材料性能的影响，未考虑孔洞尺寸、形态和分布的影 响，是不准确的，需要修正或提出更精确的模型 ( 5 ) 材料b 与c 的基体晶粒尺寸相近，但c 材料的夹杂物含量较高，尺寸也较大， 在预加载中长条形的m n s 与基体剥离形成较大的初始条状缺陷，使其后续加载 初始损伤对不同金属材料组织延性起裂韧性的影响及机理 中的延性起裂韧性降低。因此，在材料的设计和制备中要尽可能地减少夹杂物 的数量和尺寸，尤其是减小大尺寸条状夹杂物的数量和尺寸，并且要避免大变 形加工。 ( 6 ) 材料a 与c ，成分和夹杂物相同，基体晶粒尺寸不同。由于细晶粒材料a 的初 始损伤缺陷的量和尺寸大于粗晶粒材料c ，因此细晶粒材料a 的延性起裂韧性 p f p 。，低于粗晶粒材料c 。细晶粒材料对初始损伤敏感，在加工变形过程中容 易产生损伤，使其后续延性起裂韧性下降。因此，细晶粒材料在加工过程中要 注意初始损伤对后续性能的影响。 ( 7 ) 细晶粒材料a 易于产生初始损伤的原因是：晶粒细的材料a 的屈服强度高，在 施加相同的预加载荷尸。，最，时，传递到夹杂物与基体界面的应力高，容易使夹 杂物与基体界面剥离使微孔形核。 f 8 1 通过初始损伤孔洞在后续加载中的演化行为的细观有限元力学模拟计算，对微 孔洞初始损伤对钢的延性起裂韧性影响的机理进行了研究。计算结果表明：初 始大尺寸孔洞长大速度比较快，并且在这些孔洞之间存在变形局部化，容易诱 发二次小孔洞的形核和长大，从而使一次初始大孔洞连接，使材料延性起裂。 大尺寸初始损伤孔洞主导了材料的延性起裂。随初始损伤量的增加，大尺寸孔 洞的数量和尺寸增加，使孔洞聚合( 延性起裂) 时的应变降低，这就是随着预 载荷比岛，乓，的增加，材料的延性起裂韧性p f ，砟，降低的细观力学原因。 关键词：初始损伤：延性起裂韧性：夹杂物：有限元：缺口试样：钢 t i 硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，as e r i e so ff o u rp o i n tn o r m a la n dr e v e r s eb e n d i n ge x p e r i m e n t sw i t h d i f f e r e n ta p p l i e dl o a d sa r ec a r r i e do u tf o rn o t c h e ds p e c i m e n so ft h r e eh e a t t r e a t m i c r o s t r u c t u r eo ft w os t e e l s ，w h i c hi n t r o d u c ed i f f c r e n tl e v e l so fi n i t i a ld a m a g e t h e r e s i d u a ls t r e s sa n dw o r kh a f d e n i n ga r er e m o v e db yt e m p e “n gt h es p e c i m e n sa th i g h t e m p e r a t u r e t h e nt h es p e c i m e n sa r el o a d e db yf o u rp o i n tb e n d i n ga n du n l o a d e da t d i f f e r e n tl o a d sa tr o o mt e m p e r a t u r e b ym e a s u r e m e n to fm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa n d m i c r o s c o p i co b s e r v a t i o n ， f i n “ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) c a l c u l a t i o na n d m i c r o - s i m u l a i i o n ，t h ee f f e c t so fj n i t i a ld a m a g eo nt h ed u c t i l ei n i t i a t i o nt o u g h n e s so f o t c h e ds p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e so fs t e e l sa n dt h em e c h a n i s m sa r e i n v e s t i g a t ed t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f o rm a t e “a la ( “n eg r a i no f1 6 m ns t e e l ) ，w h e nt h ep r o - l o a dr a t i op d ，尸盱0 8 6 1 ， t h ed u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o nt o u 曲n e s sp i ，p 量yd e c r e a s e ss l o w l yw “ht h ei n c r e m e n t o ft h ep r o l o a dr a t i op d ，a di nt h ec a s eo fp 。j 鼍科0 8 6 1 ，t h ep j 尸盼d e c r e a s e s r a p i d l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep d p 甜f o rm a t e “a lb ( c o a r s eg r a i no fc fs t e e l ) a n dm a t e r i a lc ( c o a r s eg r a i no f1 6 m ns t e e l ) ，t h e 尸j p 削d o e sn o te s s e n t i a l l yc h a n g e w i t ht h ep 。p g yd u “n gt h e p d j _ 0 8 6 1 ，b u ti td e c r e a s e sr a p i d l yw i t ht h ep 。 a f t e rc h ef 乙厂o 8 6 1 t h ed u c t i l 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 fc h em a t e “a 1b i st h eh i g h e s ta n dt h a to fm a t e r i a lai st h el o w e s ti nt h er a n g eo ft h e 只，以y ( 2 ) d ur i n gp 删 o 8 6 1 ，t h ef 0i n c r e a s e s r a p i d l yw i t ht h e 尸口，a tt h es a m ep o ，尸如，t h el e v e lo fi n i t i a ld a m a g eo fm a t e “a l ai so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a t0 ft h em a t e r i a lc ，t h a ti s ，t h em a t e r j a law i l hf i n e g r a i n si se a s yt od a m a g ea n ds e n s i t j v ef o rt h ed a m a g e t h el e v e lo fi n i t i a ld a m a g e 0 fm a t e r i a lbi st h e1 0 w e s t ( 3 ) t h el a r g e r i n i t i a id a m a g ei nm a t e r i a l sm a k e st h ed u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o n t o u g h n e s sl o w t h el a r g e rt h ei n i t i a ld a m a g ea m o u n ti s ，t h el a r g e rt h ed e c r e a s eo f t h ed u c t i i ef r a c t u r ei n i t i a t i o nt o u g h n e s s a tt h es a m ep 。f 0 ，t h em a t e r i a lw i t hl a r g e r i n i t i a ld a m a g ea m o u n th a sl o w e rd u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a i i o nt o u g h n e s s t h er e a s o n f o rt h el o w e rd u c t i l 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 lw i t hl a r g e ri n i t i a l d a m a g ea m o u n ti st h a tt h em i c r o c a v i t yi n i t i a ld a m a g eh a sb e e ni n d u c e di n t ot h e m a t e r i a l si np r e - l o a dp r o c e s s ，a n dd u r i n gt h es u b s e q u e n tl o a d e dp r o c e s s ，t h es t r o n g 1 0 c a l i z e dh i g hs l r e s s s t r a i nb e t w e e na n da r o u n dc a v i t i e sa r ep r o d u c e da n dp r o m o t e t h eg r o w t ho fi n i t i a lv o i d sa th i g hr a t ei ta l s oc a u s e ss m a l l ，s e c o n d a r yv o i d st o 1 i 初始损伤对不同金属材料组织延性起裂韧性的影响及机理 n u c l e a t ea n dg r o w ，a n de a s yt oc o a l e s c ew i t hl a r g ev o i d s s ot h ed u c t i l ef r a c t u r e i n i t i a t i o nt o u g h n e s so fm a t e r i a lb e c o m e sl o w e r ( 4 ) t h eg r o w t ha n dc o a l e s c e n c eo fa f e wl a r g ev o i d sa h e a do fn o t c h e su s u a l l yi e a d st o t h ed u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o no fm a t e “a 1 ，t h a ti s ，t h ed u c t 订ei n i t i a t i o ni sd o m i n a t e d b yt h el a 唱ei n c l u s i o n so rv o i d s h o w e v e r ，t h eg u r s o nm o d e l ，aw i d e l y u s e dm o d e l t od e s c r i b et h em i c r o m e c h a n i c a le f f e c t so fd a m a g ei nd u c t i i em e t a l s ，o n l vu s e st h e p a r a m e t e ro fm i c r o v o i dv o l u m ef r a c t i o nf vt oc h a r a c t er i z et h ee f f e c to fd a m a 卫e v o i d so nm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，a n dd o e sn o tc o n s i d e rt h ei n f l u e n c e so ft h es i z e ，s h a p e a n dd i s t r i b u t i o no fc a v i t i e s ，s oi tj s n e c e s s a r yt om o d i f yo rd e v e l o pam o r e a p p r o p r i a t ea n da c c u r a t em o d e l ( 5 ) f o rm a t e “a lb a n dc ，t h e yh a v en e a r i yt h es a m eg r a i ns i z e ，b u tm a t e r i a lch a s l a r g e r ，e l o n g a t e d i n c l u s i o s d u “n g t h e p r e l o a d i n g ， s o m e e l o n g a t e d m n s i n c l u s i o n sw i l ld e b o n df r o mt h em a t r i xa n dt h ee l o n g a t e dl a r g e ri n i t i a ld e f e c t sa r e f o m l e d t h j sm a k e st h ed u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o nt o u g h n e s sl o wi nt h el o a d i g p r o c e s sl a t e r t h e r e f o r e ，d u r i n gt h ed e s i g na n dm a k i n go fm a t e “a l s ，i ti sn e c e s s a r y t od e c r e a s et h es i z ea n dn u m b e ro fi n c l u s i o n s ，e s p e c i a l l yl a r g e r ，e l o n g a t e do n e sa s p o s s i b l ea sy o uc o u l da n da v o i dm a c h i n i n gp a r tw i t hl a r g ed e f o r m a t i o n ( 6 ) f o rm a t e r i a la a n dm a t e t i a lc ，t h e yh a v et h es a m ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n d i n c l u s i o n ，b u th a v ed i f f e r e n tg r a i ns i z e s b e c a u s et h em a t e “a law i t hf i n eg r a i h a s l a r g e ri n i t i a ld a m a g ea m o u n t ，i h ed u c t i l ef r a c t u r ei n j t i a “o nt o u g h n e s sp l 只yo ff i n e g r a i nm a t e r i a la i s1 0 w e rt h a nt h a to fc o a r s eg r a i nm a t e r i a lb t h a ti n d i c a t e st h a t f i n e g r a i nm a t e r i a l i ss e n s i t i v et oi n i t i a l d a m a g e a n de a s yt o d a m a g ei n t h e d e f b r m a t i o np r o c e s s t h e s el e a dt ot h ed e c r e a s eo fi t sd u c t j l ef r a c t u r ei n i t i a t i o n t o u g h n e s st h e r e f o r e ， t h ee f f e c t o fi n i t i a l d a m a g eo ns u b s e q u e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e ss h o u l db ec o n s i d e r e dd ur i n gt h ep r o c e s s i n gf o rt h ef i n eg r a i nm a t e r i a l ( 7 ) t h er e a s o nt h a tf i n eg r a i nm a t e r i a l i se a s yt of o r mi n i t i a ld a m a g ei st h a tt h es t r e s sa t t h ei n t e t f a c eb e t w e e ni n c l u s i o na n dm a t r i xi sh i g h e rd u et oi t sh i g hy i e l ds t r e n g t h t h e r e f o r e ，i ti se a s i e rf o rj n c l u s i o nt od e b o n df r o mm a t r i xa n dt on u c l e a t ev o i d s ( 8 ) t h em e c h a n j s mo fe f f e c to fi n i t j a lv o i dd a m a g eo nd u c t j l ef r a c t u r ei n i t i a t i o n t o u g h n e s so fs t e e li s s t u d i e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt os i m u l a t et h e e v o l u t i o o fp r e d a m a g ev o i d sd u r i n gt h es u b s e q u e n tl o a d i n gp r o c e s s t h er e s u l t s s h o wt h a t ，t h ei i t i a lv o i d sw i t hl a r g es i z eg r o wf a s t ，a n dt h e r ei sd e f o r m a t i o n l o c a l i z a t i o na m o n gt h e s el a r g ev o i d s t h ed e f o r m a t i o nl o c a l i z a t i o nc a np r o m o t et h e n u c l e a t i o na n dg r o w t ho fs e c o n d a r yv o i d s ，w h i c h1 e a d st ot h ec o a l e s c e n c e so ft h e l a r g ev o i d sa n dt h ed u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o no fm a t e r i a l t h el a r g ei n i t i a lv o i d s d o m i n a t et h ed u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o no fm a t e r i a l _ w “hi n c r e a s i n 2t h ea m o u n to f i n “i a ld a m a g e ，t h en u m b e ra n ds i z eo fl a r g ev o i d si n c r e a s et h i sc a u s e st h ed e c r e a s e o fs t r a i nf o fv o i dc o a l e s c e n c e ( d u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o n ) ，a n dt h i si st h em e s o 硕士学位论文 m e c h a n i c a lr e a s o nt h a it h ed u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o n t o u g h n e s s 只名yd e c r e a s e s w i t hi n c r e a s i n gt h ep r e i o a dr a t i op d b y k e y w o r d s ：i n i t i a ld a m a g e ； t h ed u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o n t o u g h n e s s ； n o n - m e t a l l i c i n c l u s i o n ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；n o t c h e ds p e c i m e n ； s t e e l 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 他个人或集体己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 由本入承担。 作者签名：蝻傣l 怄日期：2 一。睁厶月7 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 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：刎厶年6 月1 日 日期：年月日 撤固 硕士学位论文 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 必将为跨世纪期间降低破坏经济损失及显著减少劳动事故打下基础 1 】。 结构的破坏控制一直是工程设计的关键所在。结构的破坏不会突然发生而是 损伤积累的结果。这里所说的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，导致结构的强度持续降低，最终失去承载能力，结构完全破坏。破坏 控制的目的就是制止结构在服役期内发生这种灾难性的完全破坏，即控制结构强 度在安全值以上，或者说微孔洞、微裂纹的扩展必须在容许的范围以内。为了确 定裂纹扩展的容许尺度，就必须知道结构强度随裂纹扩展的变化规律；而为了确 定结构的安全服役期，又必须知道裂纹的扩展规律。为此，必须预先确认裂纹的 萌发位置，有了这个前提，才能深入分析裂纹的扩展规律及其对结构强度的影响。 源于g r i f f i t h 的断裂力学为这一分析提供了理论框架。在过去的3 0 年中，断 裂力学的应用领域日益扩大。应用断裂力学进行破坏控制的方法是将破坏与表征 裂纹尖端状态的某参量的i 临界值相关联，不管结构的载荷条件与载荷状况如何， 一旦这一参量达到临界值，就假定裂纹起始扩展。应力强度因子k ，应变能释放 率g 等是线弹性断裂分析中常用的控制参量；c o d 和j 积分等则用于弹塑性断裂。 实际上，裂纹形式的损伤在材料的制造、加工过程中已经存在，这些微裂纹 的聚合与长大造成了宏观裂纹的形成与发展。由于断裂力学只能分析宏观裂纹的 扩展行为，不能预估宏观裂纹的萌生位置，而基于断裂力学的破坏分析常常包含 着对裂纹萌生位置的人为假定，因此所得结论带有经验性。 初始损伤对不同金属材料组织延性起裂韧性的影响及机理 此外，在断裂力学理论中，裂纹被理想化为具有光滑表面的几何间断面，因 而裂纹前沿的应力应变场具有奇异性，其奇异阶数与材料的本构关系相关。断裂 力学理论还假定裂纹尖端区域的材料性能与远离尖端区是一样的。如前所述，宏 观裂纹是由微裂纹聚合、长大形成的，其扩展总是伴随着微裂纹损伤。因而，在 裂纹尖端区域微裂纹对材料机械性能的影响是不应该忽略的，这就需要更精确的 破坏分析模型，损伤力学正是在这一工程背景中产生与发展的。 损伤力学是在过去的3 0 年间发展起来的连续体力学的一个分支。它系统地讨 论微观缺陷对材料的机械性能、结构的应力分布的影响以及缺陷的演化规律，可 用于分析结构破坏的整个过程，即微裂纹的演化、宏观裂纹的形成直至构件的完 全破坏。它通过引入一种所谓“损伤变量”的内部状态变量来描述含微细观缺陷 材料的力学效应一受损材料的力学行为，以更好地预测工程材料的变形、破坏和 使用寿命等【”。 对于材料而言，其主要任务是保证由其所制成的构件，在一定的工作条件和 一定的期限内能安全服役而不发生失效。对于传统材料或开发新型材料都需要提 高其力学性能( 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。因此无论是为了减少事故发 生，还是为了发展材料潜力与创造新的高性能材料，都要求对材料变形、损伤直 至断裂的规律、机理与控制进行深入的研究。这是当代力学和材料科学交叉领域 的研究前沿。本课题属该研究领域中的应用基础问题之一。其研究对于提高材料 的力学性能及对于新材料的研发及其合理使用，和断裂破坏事故的控制具有重要 的理论和实际意义。 1 2 损伤力学的研究概况 k a c h a n o v 在1 9 5 8 年研究金属蠕变过程断裂时，首次引入了“连续性因子”和 “有效应力”的概念来描述蠕变损伤。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象方法来研究材 料蠕变损伤破坏过程。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 t n o v 外，法国的 l e m a i l r e 、c h a b o c h e 、美国的k e m p l 、k r a j c i n o v i c 、日本的m u r a k a m i ( 村上澄男) 、 瑞典的h u l t 、英国的h a y h u r s t 和l e c 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。 2 硕士学位论文 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，飞机涡轮发动片和涡轮盘 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 c 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。损伤力学已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 ) 如何从物理学、热力学和力学的观点来阐明描述损伤，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。 我国从8 0 年代初期以来，在损伤力学的理论模型、监测方法、工程应用等诸 方面开展了广泛的研究工作。1 9 8 5 年1 1 月，中国力学学会委托华中工学院在黄山 召开了“第一届全国损伤力学讨论会”。1 9 8 8 年5 月，中国力学学会在广州召开主 持了“全国断裂与损伤研讨会”1 9 9 0 年1 1 月，中国力学学会和国家自然基金委员 会在清华大学联合主办了“固体力学发展趋势一断裂与损伤研讨会”，就损伤与断 裂作为力学学科的科研战略研究方向作了有关专题报告。近年来，我国的固体 力学学报、力学进展、力学与实践等杂志陆续发表了许多有关损伤研究的 科学论文。 目前，国内外有关损伤力学的研究，除了继续完善其理论方法之外，主要集 中于微、细观缺陷损伤机制的研究，并与损伤力学、细观力学及材料科学等其他 学科相结合，将损伤力学应用于工程实际问题，诸如工程结构的应力分析，结构 完整性分析和寿命分析，材料的设计与工艺制造等【3 l 。 金属材料中损伤类型有很多种，在不同载荷情况下，会产生不同类型、不同 表现形式的损伤。如果以产生损伤的加载过程来区分，可分为以下几种： ( 1 ) 延性、塑性损伤 微孔洞和微裂纹的形成和扩展，使材料或构件发生大塑性应变，最后导致塑 性断裂。与这类损伤相伴发生的是不可恢复的塑性变形。这类损伤的表现形式主 要是微孔洞、微裂纹的萌生、成长和聚合。损伤是局部性的，损伤对于应变的演 3 初始损伤对不同金属材料组织延性起裂韧性的影响及机理 化过程是线性的。在金属成型加工过程中，必须考虑这种损伤，并且在成型后， 损伤还会继续影响材料的性能。 金属和合金的弹塑性损伤机制与温度有着重要的关系，因此损伤变得更为复 杂。在低于过渡区即下平台，金属中的孔洞可能有三种特征：或者表现为由于滑 移的交叉而引起的晶粒内解理裂纹的形成，或者表现为解理裂纹的形成，或者表 现为边界内滑移相交而引起的晶粒边界脆性碳化物裂纹。 处于解理至纤维破断过渡温度范围内的金属损伤，主要由第二相粒子内和第 二相粒子边界上的缺陷( 空洞) 形成而引起。第二相粒子内的空洞引起第二相粒子与 基体交界面失去粘结力，或者引起第二相粒子的开裂。第二相粒子边界或者第二 相粒子边界上沉淀物与滑移带的相交，在第二相粒子边界上产生了空穴，空穴在 该温度范围内出现。 金属孔洞的形成对于金属的不同力学性能如宏观弹性模量、塑性特性、循环 塑性特征、断裂韧度、蠕变率和蠕变破裂时间有着重要的影响。金属材料在特定 加载条件下的的损伤能够依据一个或多个机理发展。 ( 2 ) 蠕变损伤 在长期载荷作用或高温环境下，伴随着蠕变变形会发生塑性损伤，其宏观表 现为微裂纹、微孔洞的扩展使得材料的耐久性下降。蠕变损伤使蠕变变形增加， 最后导致蠕变断裂。 ( 3 ) 疲劳损伤 在疲劳循环作用下，材料性能逐渐劣化。在每一步循环载荷中的延性( 低周 疲劳：n ； 1 0 00 0 0 ) 损伤累积起来，使材料的寿命 减少，导致疲劳破坏。 ( 4 ) 动态损伤 在动态载荷如冲击载荷作用下，材料内部会有大量的微裂纹形成并扩展。这 些微裂纹的数目非常多，但一般得不到很大的扩展( 因为载荷时间非常短，常常 是几个微秒) 。但当某一截面上布满微裂纹时，断裂就发生了【4 1 。 总之，材料不同，其损伤机制不同。而同一种材料的损伤机制又因环境及受 力状态不同而改变。在没有可以测到的塑性应变下，缺陷引起弹脆性损伤；由 于大塑性应变引起的孔隙产生韧性损伤；高温下晶体之间的解理、脱聚产生蠕变 损伤；重复加载下晶间裂隙造成疲劳损伤等【5 】。 工业金属是由基体、第二相和某些非金属夹杂物组成的。受外力作用时，变 形首先在软相开始，待其形变强化到与较强的相的强度相同时，后者也参与到变 形中。材料中的非金属夹杂物，一股较脆且与基体结合较弱。在基体形变强化过 程中，当其强度超过非金属夹杂物本身或其界面结合强度时，便在这里形成最早 4 硕士学位论文 的开裂，要么夹杂物折断，要么界面脱开 6 】。 实验表明，无裂纹试样只有拉伸到出现缩颈，从而试样中心存在三向应力 仃，d 时，第二相或夹杂物才开裂而形成空洞，它们长大至互相连接后就导致韧断。 对缺口或裂纹试样，由于拉伸一开始就存在盯，故外应力较低时夹杂就有可能 开裂。只有当第二相质点或夹杂处的最大正应力等于质点与基体的界面结合强度 时，质点和基体才会分离，从而形成空洞，即空洞形核判据为仃，盯，( 7 】。 1 3 金属材料的损伤和延性断裂研究现状 大量实验观察表明，韧性材料的破坏往往在二相粒子的界面或二相粒子内部 首先开裂，形成微孔洞，随后已有微孔洞的长大与新的孔洞的形成同时进行，微 i l 洞相互聚会，最后导致宏观破坏n ”。他们有限元研究的结论如下： ( 1 ) 孔洞随载荷的增大二长大，孔洞沿裂纹扩展方向的增大比其它方向要快。 但载荷接近断裂载荷时，沿裂纹扩展方向的增长放慢，这是由于韧带上孔洞体积 分数增大引起的。还认为损伤材料引起的孔洞尺寸变化和裂端的c o d 比无损伤的 材料要大：而韧带尺寸的变化，开始时损伤材料较无损伤材料要到，但接近断裂 时，损伤材料的反而要小。损伤材料中变形后偏离初始圆形孔的程度比无损伤材 料要小。 ( 2 ) 载荷水平较低时，微孔洞仅出现在裂纹和孔洞附近，其体积分数较小。 ( 3 ) 随载荷的增大，在裂端和孔洞之间的韧带上发展了高的三轴应力，引起已 成核孔洞的加速增长，再引起孔洞体积分数的新增长，这又使高三轴应力松弛。 在延性断裂这种材料失效的方式中，在变形过程中孔洞形核，长大直至聚合 形成连续的断裂途径。孔洞形核可能发生于夹杂处通过与基体脱开或颗粒断裂。 最后，孔洞在取决于塑性应变应力的作用下长大，当临界条件满足时，孔洞聚合 形成微裂纹【”】。 j h c h e n 和g z w a n g 【1 1 1 2 1 等人在研究合金钢缺口试样增韧的机理时，提出缺 口钝化，残余压应力和潜在起裂源的减少是增韧的原因。而潜在起裂源的减少实 质上是微孔洞在第二相上的形核，即是损伤的结果。而这一损伤对缺口韧性的影 响及机理仍未研究清楚。即对该因素没有和缺口钝化和残余应力相分离进行研究。 p t a l u k d a r 等人研究了室温下不同循环载荷条件下e n 8 级热处理钢中 疲劳损伤对钢的冲击及动态断裂韧性的影响。结果表明，调质钢的断裂韧性和冲 击韧性较退火钢的高，循环硬化和软化在两种钢中都发生，随着峰值应力和循环 次数的增加，k ，。和c 。值都下降。 合金中第二相粒子对延性失效所起的主要作用已经由e d e l s o n 和b a l d w i n 给 5 初始损伤对不同金属材料组织延性起裂韧性的影响及机理 出。在第二相含量较低时( 低于5 ) ，延性失效可以看作孔洞的形核，长大，聚 合或连接。第二相含量较高时，情况变得较复杂，因为篇二相之间有大量的相互 作用。在这种情况下，损伤可通过颗粒破碎或与颗粒与基体脱离来考虑1 1 4 1 。 铝硅合金的微观结构一般包含两种相即高强度脆性硅和低强度延性相铝，因 此铝合金的变形行为和力学性能是由组成相的微观结构特征所控制。当硅粒子的 形状和尺寸改变时，屈服强度、最终断裂强度、延伸量和韧性也将随之改变。由 于对损伤形核过程的影响，球状硅粒子将提高合金的拉伸性能和断裂韧性1 1 5 】。尽 管铝硅合金中的断裂机理都相同，它们的整体力学响应却不同。在硅粒子微观结 构为球状的合金中，由于塑性应变分布更为均匀，微裂纹的聚合被延长至较大的 塑性应变处并且整体延性更高口“。 g _ g g u i g l i o n d a 和w j p o o l e 【”】对铝硅合金进行了研究，以估计微观结构损伤 对合金整体延性的影响。该合金包含两种脆性相即硅粒子与铁金属间化合物，其 中硅二相的组织从细纤维变为完全球状结构。他们通过冷滚压引入损伤，并通过 材料密度的变化来测第二相的损伤。为了把损伤与加工硬化分开，铝基体在冷滚 压后再结晶。可以观察到拉伸延性在很大程度上取决于铁金属间化合物的性质， 而且冷压缩有利于提高整体延性，主要是富铁相损伤的结果。平行于加载轴的硅 纤维在拉伸初期断裂，但影响不大。球状硅粒子由于载荷转移过程效率很低所以 很难发生损伤，而铁金属间化合物在拉伸过程中低应变下就会破碎但由于长度较 短所以并不重要，从而引起了材料拉伸延性的增加。此外，密度测量还暗示一些 微观损伤在合金的退火过程中可能会减少。 m t k i s e r 【“1 等人对一系列铝基复合材料在拉伸和压缩下的流动与断裂特征 进行了比较，以研究颗粒体积分数的影响。受压力时，在相同的应变下复合材料 的流变应力与基体的成比例，由颗粒引起的强度提高随着体积分数的增加而增加。 压缩试样中观察不到微观损伤，而且试样密度在实验前后一致。受拉力时，颗粒 以取决于内部强度及基体流动特征的速率破碎，与压缩变形相比降低了加工硬化 率，引起局部软化，降低强度与延性，而且损伤使延性失稳应变提高。 s f c o r b i n 和d s w i l k i n s o n 【1 9 】通过实验改变弹性模量来测量变形过程中损伤 累积的程度，以确定损伤累积对流变应力降低的程度。当应变大于o 0 1 时损伤累 积率对流变应力的影响较大。此外，碳化硅含量为2 0 的复合物中损伤累积较未 增强合金明显要高，损伤率取决于基体强度。 v t k s r i v a s t a v a