（材料学专业论文）初始损伤对modeⅠⅡ混合加载下材料断裂行为的影响.pdf

硕士学位论文 摘要 本文主要通过有限元( f e m ) 计算及和实验结果的对比，对一种低 合金高强钢中的初始损伤孔洞对m o d el i i 混合加载下的后续损伤演化和 断裂行为的影响进行了分析研究。得到的主要创新性结论如下： ( 1 ) m o d ei l i 混合加载下，缺口前钝化侧的孔洞在外加载荷p p g y 0 2 时没有长大；0 2 p p g y 0 8 后快速长大， 且长大速率随p p g y 而增加。锐化侧的孔洞在整个加载范围内基本没有 长大。整体孔洞面积分数f a 随p p g y 的增加源于钝化侧孔洞的长大。钝 化侧较高的三向应力度a o 和等效塑性应交ep 是其孔洞长大的主要力 学原因。 ，= ( 2 ) 纯m o d ei 加载时，缺口中心区的大部分孔洞在高。一o ，8p 的作用 下快速长大，导致最快的损伤发展速率和最低的延性起裂韧性，起裂位 置在缺口中心，m o d ei 1 i 复合加载时，随m o d ei i 比例的增加，钝化侧 的孔洞长大速率总体上减慢；锐化侧孔洞由略有长大，到基本不变，再 到尺寸减小而发生转变。因而导致总体的损伤发展速率随m o d ei i 比例的 增加而减小。钝化侧孔洞长大最快列的位置，随m o d ei i 比例的增加，由 靠近缺口中心向远离缺口中心移动，由孔洞长大最快列所决定的延性起 裂位置发生相应移动。上述孔洞长大和聚合行为及材料延性起裂位置和 起裂韧性随m o d ei i 比例的变化源于m o d el i i 复合加载时，缺口前端的 三向应力度o m ，o ，和等效塑性应变2p 的分布随m o d ei i 比例的变化。较 高o w o 和ep 处的孔洞长大速率快，聚合得早，决定了延性起裂位置和 起裂韧性。 ( 3 ) 当外加载荷p p g y 0 8 时，不同初始损伤量的三个试样的孔洞面积 分数f a 随p p g y 基本不变；o 8 p p g y 1 0 后，三个试样的孔洞面积分数f a 都随p p g y 迅速增加，且初始损伤孔洞 越大，孔洞面积分数f a 增长越快，即损伤演化速率加快。孔洞面积分数 f a 的变化主要源于钝化侧孔洞的长大。在锐化侧，孔洞尺寸基本不变或 略微减小。随初始孔洞尺寸增加( 即初始损伤量增加) ，钝化侧孔洞周围 的局部三向应力和塑性应交2p 的值增大，孔洞间的相互作用加强，使较 高载荷p p g y 时的孔洞长大速率增大，使孔洞与缺口之间的聚合发生得 更旱，材料的延性起裂韧性( p i ，e ) 降低。 ( 4 ) g t n 损伤模型可以准确地模拟预测m o d ci i i 混合加载下具有较高 m o d ei 比例的试样发生于钝化侧的微孔型延性起裂的位置和裂纹扩展方 向。而不能预测m o d ei i 比例很高时，发生于锐化侧的剪切型开裂。用 g t n 模型模拟预测的延性起裂韧性pr 和e 要高于实验测定值。其主要原 因是g t n 模型用微孔体积分数f r 这一损伤变量隐式地描述孔洞长大和聚 初始损伤对m o d e i m 混合加载下材料断裂行为的影响 合的损伤演化过程，而未考虑具体孔洞的尺寸，形态，分布和方位对损 伤演化和断裂过程的影响。由于g t n 模型是基于微孔洞的形核，长大和 聚合的延性断裂机理而建立的，在三向应力度o = o 较高时，这一机理的 主导作用加强，其对损伤断裂预测的准确性提高，因此在纯m o d ei 加载 时预测值与实验吻合程度最好。随m o d ei i 比例的增加，裂纹扩展阻力曲 线升高，裂纹扩展韧性增加。 ( 5 ) 当初始损伤孔洞在缺口前呈周期性均匀分布时，裂纹沿径向的一列 孔洞直线扩展，裂纹扩展速度快，扩展阻力低。当孔洞呈错开的非周期 性均匀分布时，裂纹沿径向呈“之”字形扩展，相距较近的孔洞诱导了 裂纹扩展路径。当大小相同的孔洞呈随机混乱分布时，位于钝化侧高o m “ 和ep 区的孔洞长大快，且相距较近的孔洞优先长大聚合，导致在缺口前 一定距离处延性起裂。随后裂纹扩展沿高d 一a 和ep 的路径，并被距裂 纹较近的孔洞所诱导。使裂纹呈不规则曲线扩展，与实验观察吻合。当 大小不同的孔洞呈随机混乱分布时，其裂纹起裂和扩展形貌与大小相同 的孔洞呈随机混乱分布时相似，只是大尺寸的孔洞长大快，在诱导裂纹 扩展路径中起主导作用，与实验观察十分吻合。当椭圆形孔洞呈随机分 布时，孔洞位向对裂纹扩展路径有重要影响。当孔洞的长轴与缺口切向 垂直时，孔洞长轴两端产生高的应力，应变和损伤集中，使孔洞的长大， 聚合加快，并诱导裂纹沿这些孔洞扩展。这些分析结果表明：为了提高 材料的延性断裂韧性，在材料的设计，制备和加工中，应尽可能使夹杂， 孔洞的尺寸减小，并使其尽可能星球形，在空间上呈随机均匀分布。 关键词：m o d e i i i 混合加载，损伤，断裂，孔洞，缺口，应力- 应变 n 硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ee f f e c t so fp r e d a m a g eo nt h el a t e rd a m a g ee v o l u t i o n a n df r a c t u r eb e h a v i o r so fah s l as t e e lu n d e rm i x e dm o d ei i i a r e i n v e s t i g a t e db yf e mc a l c u l a t i o na n dc o m p a r i s o nw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h en e wr e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e rt h em i x e dm o d ei i il o a d i n g ，m i c r o - v o i d sl o c a t e da tt h eb l u n t e d s i d eo ft h en o t c hd on o tg r o ww h e nt h ep p g yi sl e s st h a n0 2 。a n dt h e m i c r o v o i d sg r o ws l o w l yw h e nt h ep p g yi si nar a n g eo fo 2 p p g y 0 8 ， a n dm i c r o v o i d sg r o wf a s tw h e nt h ep p g yi sl a r g e rt h a no 8 t h eg r o w i n g r a t eo fm i c r o v o i d si n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gp r e l o a d r a t i o p p g y m i c r o - v o i d sl o c a t e da tt h es h a r p e n e ds i d eo ft h en o t c ha l m o s td on o tg r o w ， a n dt h ei n c r e a s eo fw h o l ev o i da r e af r a c t i o nw i t hp i p g yi sd u et ot h eg r o w t h o ft h em i c r o - v o i d sl o c a t e da tt h eb l u n t e ds i d e t h eh i g h e rv a l u e s o f 口m 盯a n d f ， a tt h cb l u n t e ds i d ei st h em a i nc a u s eo ft h em i c r o v o i d g r o w t h ( 2 ) u n d e rm o d ei l o a d i n g t h e h i g hv a l u e so f o - , o a n d8 ，a h e a do f n o t c hp r o m o t ef a s tg r o w t ho fm i c r o v o i da n dc a u s et h ef a s t e s td a m a g er a t e a n dt h el o w e s tt o u g h n e s s ，a n dt h ef r a c t u r ei n i t i a t i o nl o c a t i o ni sl o c a t e da t n o t c hc e n t e r w h e nt h es p e c i m e n sa r el o a d e du n d e rm i x e dm o d ei i il o a d i n g ， t h em i c r o v o i dg r o w t hr a t ea tt h eb l u n t e ds i d ed e c r e a s e s ，a n dt h es i z e so f t h em i c r o v o i d sa tt h es h a r p e n i n gs i d e c h a n g ef r o ms l i g h tg r o w t h t o u n c h a n g ea n dt h e nt od e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gt h er a t i oo fm o d ei i t h i s c a u s e st h ed e c r e a s eo ft h ew h o l ed a m a g er a t ew i t hi n c r e a s i n gt h er a t i oo f m o d ei i t h el o c a t i o no ft h ec o l u m nw i t ht h ef a s t e s tg r o w t hr a t eo fv o i d s a n dt h ef r a c t n r ei n i t i a t i o nl o c a t i o nm o v ef r o mn o t c hc e n t e rt os i d ew i t h i n c r e a s i n gt h er a t i oo fm o d ei i t h e s er e s u l t sa r i s ef r o mt h ec h a n g eo ft h e d i s t r i b u t i o no fo o a n d5 ，a h e a do fn o t c hw i t ht h ec h a n g eo ft h em o d ei i r a t i o t h ev o i d sa tt h el o c a t i o nw i t hh i g h e rv a l u e so fo ，屑厅a n d 占p h a v c f a s tg r o w t hr a t ea n de a r l yc o a l e s c e n c ew i t ho t h e rv o i d sa n dn o t c h ，w h i c h d e t e r m i n e sd 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 sa n dl o c a t i o n ( 3 ) t h ev o i da r e af r a c t i o nf ao ft h et h r e es p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n ti n i t i a l h i 初始损伤对m o d e l i f 混合加载下材料断裂行为的影响 d a m a g ed o e sn o ti n c r e a s ew i t hp p g yw h e nt h ep p g yi sl e s st h a n0 8 ，a n di t i n c r e a s e ss l o w l yw i t hp p r yw h e nt h ep p g yi si nar a n g eo f0 8 p p g y 1 o ，a n di ti n c r e a s e sq u i c k l yw i t hp p g yw h e nt h ep p g yi sl a r g e rt h a n1 0 t h es p e c i m e nw i t hl a g e rs i z eo ft h ei n i t i a lv o i d sh a sl a r g e rg r o w t hr a t eo f t h ef aa n dq u i c kd a m a g ee v o l u t i o n t h eg r o w t ho fv o i da r e af r a c t i o nw i t h p p g y i sm a i n l yd u et ot h eg r o w t ho ft h ev o i d sa tt h eb l u n t e ds i d e t h e m i c r o v o i d sl o c a t e da tt h es h a r p e n e ds i d eo ft h en o t c ha l m o s td on o tg r o w o fd e c r e a s es l i g h t l y w i t hi n c r e a s i n gt h es i z e so fv o i d s 。t h el o c a la a a n d “a tt h eb l u n t e ds i d ei n c r e a s e ，a n di n t e r a c t i o nb e t w e e nv o i d sa r e s t r e n g t h e n e d t h i sc a u s e sl a r g er a t eo fv o i dg r o w t hw h e np p g yi sh i g h ，a n d e a r l yv o i dc o a l e s c e n c ew i t ht h en o t c h ，a n dl o w d u c t i l ef r a c t u r et o u g h n e s so f m a t e r i a l s ( p i ，e ) ( 4 ) g t nm o d e lc a np r e d i c td u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o nl o c a t i o na n dc r a c k g r o w t hp a t hf o rt h es p e c i m e n sw i t hh i g hr a t i oo fm o d eiu n d e rm i x e dm o d e 1 i il o a d i n g b u ti tc a nn o tp r e d i c tt h es h e a rf r a c t u r ea tt h es h a r p e n i n gs i d e o ft h en o t c hf o rt h es p e c i m e n sw i t hh i g hr a t i oo fm o d ei i t h et o u g h n e s s p a n dep r e d i c t e db yg t ni sh i g h e rt h a nt h a tm e a s u r e db ye x p e r i m e n t t h e r e a s o nf o rt h i si st 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 d o r i e n t a t i o no ft h ei n c i u 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 df r a c t u r e p r o c e s sh a v en o tb e e nc o n s i d e r e di n t h eg t nm o d e l t h ev o i dv o l u m e f r a c t i o nf ri nt h eg t nm o d e lo n l yi m p l i c i t l yd e s c r i b e st h ep r o c e s so f m i c r o v o i dg r o w t h a n dc o a l e s c e n c e b e c a u s et h eg t nm o d e li sb a s e do n t 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 ，t h ed u c t i l e f a i l u r em e c h a n i s mb a s e do nv o i d si sr e i n f o r c e da n dt h eg t nm o d e l p r e d i c t i o ni sm o r ea c c u r a t ew h e ns t r e s st r i a x i a l i t yi sh i g h ，s ot h eg t n m o d e lp r e d i c t i o ni sc o n s i s t e n tw i t h e x p e r i m e n t i nt h ec a s eo fm o d ei l o a d i n g t h er e s i s t a n c ec u r v ef o rc r a c kg r o w t hi sh e i g h t e na n dt h ec r a c k g r o w t ht o u g h n e s so fm a t e r i a lw a se n h a n c e dw i t hi n c r e a s i n gt h er a t i oo f m o d ei i ( 5 ) 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 sa r o u n dt h en o t c ha r eu n i f o r m a n dp e r i o d i c ，t h ec r a c kg r o w sq u i c k l ya l o n gar a d i a lr o wo fv o i d s ，a n di t s i v 硕士学位论文 g r o w t hr e s i s t a n c e r ei sl o w 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 sa r o u n d n o t c ht i pa r ea l t e r n a t i v ea n da p e r i o d i c ，t h ep a t ho ft h ec r a c kg r o w t hi s z i g z a g ，a n dt h ec l o s e rv o i d sd o m i n a t et h ef r a c t u r ep a t h w h e ni n i t i a lv o i d s w i t ht h es a m es i z ed i s t r i b u t er a n d o m l y 。t h em i c r o - v o i d sl o c a t e da tb l u n t e d s i d ew i t hh i g ho m i oa n d 。g t o wf a s t t h er a p i dg r o w t ha n dc o a l e s c e n c e o faf e wc l o s e rv o i d sd e t e r m i n et h ed u c t i l ef r a c t u r ei n i t i a t i o na tad i s t a n c e f r o mt h en o t c ht i p a n dt h e nt h ec r a c kg r o w sa l o n gt h ep a t hw i t hh i g hs t r e s s t 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 n 8 p ， a n dt h ec l o s e rv o i d si n d u c e t h ef r a c t u r ep a t hw h i c hi sa l o n gc u r v e dl i n ei r r e g u l a r l y t h i sa g r e e sw i t ht h e e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n w h e nt h ev o i d sw i t h v a r i o u ss i z e sd i s t r i b u t e r a n d o m l y ，t h ec r a c kg r o w t hb e h a v i o ri ss i m i l a rt ot h ev o i d sw i t ht h es a m e s i z e s t h ei n i t i a lv o i d sw i t hl a r g es i z e sg r o wf a s t ，a n dt h er a p i dg r o w t ho fa f e wb i gv o i d sp 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 t h i sa l s o a g r e e sw 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 w h e ne l l i p t i c a lv o i d sd i s t r i b u t e r a n d o m l y ，a s p e c to fv o i d h a si m p o r t a n te f f e c to nt h ec r a c kg r o w t hp a t h w h e nl o n ga x i so fv o i di sv e r t i c a lw i t ht a n g e n t i a lo fn o t c h ，t h e r ei sh i g h l o c a ls t r e s s s t r a i na n dd a m a g ec e n t r a l i z a t i o n sa tt h et w ot i p so fl o n ga x i so f v o i d s t h i sp r o m o t eg r o w t ha n dc o a l e s c e n c eo fv o i d s ，a n di n d u c e sc r a c k g r o w t hp a t h t h ea n a l y s i sr e s u l t sa b o v es h o wt h a t ，i no r d e r t oe n h a n c et h e t o u g h n e s so fm a t e r i a l s ，t h ev o i d ss h o u l db es m a l la n dg l o b u l a r ，a n dt h e i r d i s t r i b u t i o ns h o u l db er a n d o ma n dh o m o g e n e o u sd u r i n gt h ed e s i g na n d p r o c e s s i n go fm a t e r i a l s k e y w o r d s ：m i x e d m o d e l o a d i n g ，d a m a g e ，f r a c t u r e ，v o i d ，n o t c h ， s l r e s s - s t r a i n 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。 作者勰刹印姊作者签名：承寸砰忡日期：一年l 局弓日 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 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、环保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期哆年多月乡日 醐。7 “垆日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工程背景及本课题研究意义 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i t ! 。 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。 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、损伤演化和断裂过程所 决定。开发新材料还有很大的潜力，传统的配方与试探的方法需要用定 量化分析的方法来取代。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 初始损伤对m o d e 口 ? 混合加载下材料断裂行为的影响 的研究前沿。本课题属该研究领域中的应用基础问题之一。 材料在制备、加工及受载使用过程中，不可避免地会引入损伤( 初 始损伤) 。其损伤形式包括各种尺寸和形态的微裂纹、微孔洞、夹杂物、 剪切带及相晃面裂纹等。这些初始损伤会影响到材料随后受载使用中的 变形，损伤和断裂过程，从而对材料的后续力学性能，如韧性、塑性、 强度、刚度等产生很大影响，进而对材料和结构的安全服役性及剩余寿 命产生很大影响。因此需要深入研究初始损伤对材料力学性能的影响及 机理，并能达到科学的定量化认识。另一方面，在材料与结构损伤断裂 理论的研究中，主要是用i 型方式加载。而实际工程结构中，构件所受 的力往往非常复杂，很多缺陷往往承受i + i i 型的混合加载。因此需要对 含有初始损伤的材料在m o d ei i i 混合加载下的宏微观损伤与断裂的规律 进行研究。其结果对于建立考虑实际材料中的初始损伤及损伤基元间相 互作用的精确的材料损伤断裂物理力学模型，进行各种服役条件下准确 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 高性能材料具有指导意义。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 材料延性损伤断裂机理和模型的研究现状 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。主要的研究工作涉及不同材料组织的 损伤机理；损伤测量方法；材料制备、加工工艺与损伤，断裂的关系；及 损伤模型的建立。 对于金属材料的延性断裂，现以发现其机理包括同时发生并相互作 用的几个过程【2 】：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。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 l i n t o c k 和r i c ea n dt r a c e y 模型及描述微孔型延性断裂行为的 g u r s o n 模型1 3 j 。其中g u r s o n 模型是被广泛接受的最有效的模型，它用 微孔体积分数f 作为损伤变量描述微孔的长大及其对材料行为的影响。 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，引入了两个 可调因子q 1 和q 2 ，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 u r s o n 模型。这就是基于细观的g t n 损伤模型。 最近又发展了一些有限元胞元模型( f i l l i t ee l e m e n tu n i tc e l lm o d e l ) 。 将材料尺度( m i c r o s t r u c t u r a l1 e n g t h s e a l e ) 引入了微孔的形核，长大 2 硕士学位论文 和聚合过程。 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1 4 ，5 】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 m 分析研究。 1 2 2 初始损伤对材料后续损伤演化与断裂行为的影响 关于初始损伤对材料后续损伤演化与断裂行为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： ( i ) 塑性损伤对复合材料弹性模量，强度，流动应力，拉伸延性和断裂韧 性的影响【6 8 j 。现己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 9 , 1 0 】。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 m o v 钢焊接热影响区断裂韧性 的影响【1 1 1 。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 ) pa r k 等1 1 2 】研究了a 1 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，限制了超塑性的进一步发展。 ( 5 ) k o t r e c h 等【13 l 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 ) 王红”4 】最近的研究结果： 王红对初始损伤对c f 钢缺口试样解理断裂和延性损伤断裂的影响进 3 初始损伤对m o d e 胛混合加载下材料断裂行为的影响 行了研究。图1 ( a ) ，( b ) 分别为表征低温缺口解理断裂韧性的载荷比p ，p 。， 和常温延性起裂韧性的载荷比p 。p 。，随4 p b 试样预载荷比p 。p 。，的变化规 律( p r 为解理断裂载荷，p t 为延性起裂载荷，p 。为常温预载荷，p 。为整 体屈服载荷) 。由图可见，当预载荷比p 。p 。，小于1 0 5 时，预载荷对缺口 解理断裂韧性和延性起裂韧性基本没有影响：而当p 。p 。，大于1 0 5 后， 随预载荷p o p 。，的增加，材料的缺口解理断裂韧性和延性起裂韧性迅速下 降。微观观察表明：当预载荷比p 。p 。，小于1 0 5 时，在缺e l 前端未产生明 显的微孔洞损伤( 图2 ( a ) ) ：而当p 。p 。，大于1 0 5 后，缺口前产生了明显 的微孔洞损伤( 图2 ( b ) ) ：并且随p 。p 。，的增加，初始损伤量增加。因此，当 p o p 。，大于1 0 5 后，解理断裂和延性起裂韧性的降低是由于初始损伤引 起的。对其机理进行了细观力学分析研究。 - 0 2 0 20 4 0 6 0 81 0 1 2 1 41 | 61 暑 叽 - 0 2q 00 2 0 4 0 6 0 81 , 01 21 1 61 r 8 讥 ( a ) p , r g y( b ) p i p y 图1 初始损伤( p o p g ，) 对c f 钢缺口试样解理断裂韧性和延性起裂韧性 ( p i p g y ) 的影响 4 硕十学位论文 ( a ) p o p | y 小于1 0 5( b ) p o p g y 大于1 0 5 图2 不同p o p 。，时缺口前产生的初始损伤 ( 7 ) 马进和杨伟顺 1 5 , 1 6 】最近分别对初始损伤对不同钢组织缺1 ：3 试样解理 断裂行为和延性起裂韧性的影响进行了研究。发现初始损伤对不同化学 成分和显微组织材料解理断裂和延性起裂韧性的影响规律明显不同。 上述这些代表性的工作表明：不同种类的初始损伤( 塑性损伤，疲 劳损伤和蠕变损伤) 对材料的力学性能均产生影响：影响的方向( 增加 或降低) 和程度与损伤量的大小和材料的细观组织结构有关。 关于材料组元的损伤对其力学行为影响的机理 1 7 1 8 。在宏观层次上 认为材料组元的损伤开裂使其承担的应力释放。影响材料的整体承载能 力及其加工硬化行为，在力学失稳点( 即颈缩应变) 的确定上起重要作用。 且进一步认为损伤与加工硬化间有密切关系，由于加工硬化使基体流动 应力增加，导致传递到材料微组元上的应力增加，会提高损伤发展的速 率。因此变形中损伤发展( 当前损伤量) 与当前加工硬化交织在一起，使损 伤对材料力学性能的影响及其机理的分析复杂化。在细观层次上，损伤改 变了材料组元中的局部应力分布，一方面通过应力释放也许减少了材料 中的内应力水平；另一方面损伤诱导的缺陷也许导致较高的局部应力集 中这些都会影响材料随后的变形和细观断裂过程，从而对材料力学性能产 生影响。 1 2 3m o d ei i i 混合加载下材料断裂行为的研究进展 断裂力学最初是由探索金属材料脆性断裂规律而发展起来的。从材料 的分离机制上把断裂分为解理断裂和滑移断裂，从常规力学性能上又把 断裂分为脆性断裂和韧性断裂1 9 10 即使对同一种材料，在相同的环境下， 由于所受的外应力加载方式的不同，裂纹的变形与断裂行为也不同。有 5 初始损伤对m o d e 可7 混合加载下材料断裂行为的影响 鉴于此，裂纹的加载模式分为：( 1 ) 张开型，即平面i 型问题，( m o d ei ) ； ( 2 ) 滑开型，即平面i i 型问题，( m o d ei i ) ；( 3 ) 撕开型，即反平面剪切m o d e i 型。而m o d ei 型问题在金属材料的脆性断裂问题中表现得最尖锐，因 而得到了充分的重视和深入的研究，由于m o d ei 型裂纹的扩展方向一般 沿主裂纹面方向，因而原来使用的应力强度因子表达式在裂纹起始扩展 后仍然可用，而对于m o d ei i i 型混合闯题中，情况则相当复杂，需要对 m o d ei i i 型裂纹扩展方向加以研究以确定k 判据的应用条件。 在研究m o d ei m o d ei i 混合问题时，以下三个方面的问题将对材料的 选择和改善结构安全性设计提供良好的指导，它们分别是2 0 1 ( 1 ) 断裂韧 性；( 2 ) 裂纹扩展的稳定性；( 3 ) 裂纹扩展的方向。以线弹性力学为基础， 对m o d ei 方式加载条件下，预测脆性材料的解理断裂行为的判据已经给 出。对于m o d ei 和m o d ei i 的断裂行为的研究也有许多，但都基于线弹 性或小屈服情形下。对于弹塑性断裂力学和大变形情形下的构件在混合 加载下的微裂纹起裂的机理目前仍不清楚。材料在延性断裂的情况下， 究竟是剪切带形成起主要作用还是微空洞长大聚合起主要作用还不清 楚。通过对以上延性和脆性材料在m o d ei 和m o d ei i 混合加载作用下的 断裂行为的研究来提出模型、推导出预测判据，可用于结构安全设计及 破坏的防止，同时对于开发在m o d ei i i 加载下具有高性能的材料有指导 意义。 自1 9 2 0 年g r i f f i t h 提出，当外加应力值盯超过临界应力值矿盯。) ， 或裂纹尺寸a 超过临界裂纹尺寸a ，则脆性物体将断裂。之后，o r o w a n 与i r w i n 等对其做了进一步的发展，i r w i n 提出了用更简单的应力强度因 子k 代替不等式左端，用断裂韧性k - c 代替不等式右端，为现代断裂力 学的建立与发展开辟了道路，它不仅适用于理想脆性材料，也适用于金 属材料的准脆性破坏。另外，由于裂纹顶端场变量的渐近分布的意义，对 应力场的这种渐近分析导致了应力强度因子k 的发现。从渐近表达式中 发现裂纹顶端的应力正比于肠，当斗0 时，裂纹顶端的应力趋于无穷。 ，y l 针对不同的裂纹加载模式，应力场强度因子分别被记为k ，k 。，k ，。这样 实际工程结构中混合加载m o d ei i i 下裂纹顶端的应力分布表示为： 呀“，口) = 一k 形p ) + 舻p ) + 如矿圳 ( 1 - 1 ) 、z 研 经用w i l l i a m s 的特征展开可以得到i 型，l l 型，i i i 型的渐近应力场， 这里只分别列出i 型，i l 型的应力场表达式【2 】： 6 硕士学位论文 吒“，0 3 = 击c o s 导( 一如鲁咖孚) c 嘶班去c o s 舭血导c o s 刳 ( 1 - s ) g ，只) _ 、厮k i o o s f i 2 s i ne 2 , c o s 孚 ( 1 - 4 ) “e 3 一去凼导( 2 导c o s 刳 ( 1 - s ) g ，b ) = 厢k i ! o o s 导s m 鲁c o s 孚 ( 1 - 6 ) ) = 丽g l l s 弘s m 扣孚) ( 1 ，) 在平面问题中，大多数情况下i 型与i i