（材料加工工程专业论文）初始损伤对不同钢组织缺口试样解理断裂行为的影响.pdf

摘要 本文通过对a ( 1 6 m n 细晶) 、b ( c f 粗晶) 、c ( 1 6 m n 粗晶) 三种材料的缺口试样 在常温下进行了不同预加载荷的四点弯曲正弯实验，以在缺口前端引入不同的微 孔洞损伤量，接着利用反弯实验消除了缺口根部尺寸对解理断裂的影响，而后通 过高温回火处理消除了残余应力和加工硬化的影响，分离出损伤因素。随后在 。1 9 6 低温下进行弯曲断裂寨验。通过力学参数的测量、断口观察和有限元计算 与细观模拟，就初始损伤对不同钢组织缺口试样低温解理断裂韧性的影响规律及 机理进行了研究。结果表明： ( 1 ) 当r e ， o 8 6 l 后，材料a 和c 的损伤量随昂e ，的增加而迅速 增加。在相同的昂只。下，材料 中的损伤量明显高于材料c 。材料b 的损伤量 随晶，的增加而缓慢增加、。在同一顸载荷比晶已下，材料b 的损伤量低于材 料a 、和c 。 ( 2 ) 材料a 的缺口韧性弓，名随预载荷比晶名的增加逐渐下降。并且当晶 o 8 6 1 后，缺口韧性弓下降较快。b 材料的缺口韧性弓随晶的增加几乎不变。 c 材料缺口韧性弓名在晶 o 8 6 1 后，随昂，只，的增加，缺口韧性值迅速降低。损伤量丘较小时，材料c 的 断裂韧性低于材料a ，材料b 与c 相差不大；损伤量t 较大时，材料a 与c 的断 裂韧性相差不大，材料c 的断裂韧性低于材料b 。 ( 3 ) 在一1 9 6 下，材料a 和c 的低温解理断裂韧性随初始损伤量的增加而降 低的原因是预载荷时引入的损伤，尤其是长条形的大缺陷，在随后的低温加载时， 使长条形孔洞前端或旁边产生较高的局部应力一应变集中，弥补了外场正应力 口。的不足，从而使解理发生在较低的断裂载荷p ，下( s i c 型起裂) ，测量的外场 盯。一d ，的值也下降。材料b 的缺口韧性随初始损伤量的增加而基本不变的原因 是b 材料的起裂源类型主要为小尺寸球形孔洞( i c 型) 或碳化物粒子( i p 型) ，且 随晶增加，起裂源类型无明显变化。虽然其损伤量，n 随昂的增加而增加， 但其损伤量的绝对值很低，并且其损伤基元主要为小尺寸球形孔洞，而球形孔洞 两端的应力和应变集中相对于长条形缺陷引起的应力和应变集中要小很多，故材 料b 的缺口韧性基本不变。 ，( 4 ) b 材料对预损伤不敏感。在同样的晶，只，下，b 材料的初始缺陷尺寸小、 杏u 始损伤对不同制组织缺口试样解理断裂行为的影响 数量少，相应的损伤量小，其缺口韧性基本不随昂，只，变化；而夹杂物含量多、 尺寸大的1 6 m n 钢c 材料对预损伤较敏感。在同样的最只，下，c 材料的初始缺 陷的尺寸大、数量多，相应的损伤量大，其缺口韧性随只只，的增加而下降。说。 明基体晶粒尺寸相近时，杂质物含量高的钢中较多、较大的初始损伤缺陷主导了 缺口解理韧性，使材料韧性降低。 ( 5 ) 对于成分和夹杂物相同的材料，当昂只， o 8 6 1 后， 材料中的初始损伤主导了解理韧性，晶粒尺寸的影响减小。a 材料的缺陷尺寸大i 初始损伤量大，从而产生了高的局部应力一应变集中，导致了a 材料的解理起裂 与扩展的几率比c 材料高，其断裂韧性下降幅度大，说明较大的初始损伤使缺口 韧性对基体晶粒尺寸不敏感。 ( 6 ) 细晶粒a 材料对初始损伤敏感的原因是在相同的只只时，细晶粒a 材料 的屈服强度仃。高，材料中产生的局部正应力q 、吗、以的强度较高，传递到 夹杂物内部及夹杂物与基体之间的界面处的正应力提高，从而更容易使夹杂物破 裂或与基体剥离，产生较大的初始损伤。 关键词：初始损伤；解理断裂；韧性：晶粒；孔洞；缺口试样；钢；有限元 a b s t r a c t i nt h i sp 印e r ，as e r i e so ff b u rp o i n tn o 劬a la n dr e v e i s eb e n d i n ge x p e r i m e n t sa r cc a r r j e do u t o nt h en o t c h e ds p e d m e n so fm a t e r i a la ( 1 6 m n rf i eg r a i n ) ，b ( c fc o 酊s e 目a i n ) a i l d c ( 1 6 m n rc o a r s e 野a i n ) ，a i i dd i f f e r e n c l e v e l so fm i c r o - c a v j t yd a m a g ca r ei n t m d u c e da 1 1 dm e e 疵c to ft h en o t c hm o tr a d i u si se l i m i n a t e d t 0s c p 獭t et h ee f f e c to fd a m a g e 丘o mr e s i d u a i s t r e s sa i l dw o r kh a r d e n i n gb e h a v i o r ，t h es p e c i m e n sa r et e m p e r e da f t e rp r e - l o a d i n g t h e nt l l e s p e c i m e l l sa r cf i a c t u r e db y f o u rp o i n tb e n d i n ga tal o wt e m p e f a c u r eo f - 1 9 6 b y m e a s u r e m e n to fm e c h a n i c a ip a r a m e t e r s ，m i c m s c o p i cd b s e r v a t i o n ，a n df i n i t ee l c m e n tm e 山o d s 呷m ) c a l c u l a t i o n ，t h ee f f e c t so fi n i t i a ld a m a g co nt h ec l e a v a g ef m c t u r et o u g h e s so fn o t c h c d s p c c i m e n sw i md i f f e r e n tm i c r o s t n l c t u r e so fs t e e l sa r ce x p e r i m e n t a i l yi n v e s t i g a t e d t h em a i n r e s u l t sa f ea sf o u o w s ： ( 1 ) l i lt h cc a s eo fp r c l o 耐m t i o 晶名= o 8 6 1 ，t h ed a m a g ca r c af r a c t i o n 无o fm a t e r i a l a 姐dci n c r c a s e sl i t t i cw i t ht h ei n c r e m c n to f 晶名i nt h ec a s eo f r = o 8 6 1 ，t h e d a m a g e 猢i h c t i 彻o f m a t c r j a la 锄dci i l c r e a s e sq u i c l ( 1 yw i t ht h ei n c r e m e n to f 晶易， a tm es a m e 昂名，t h ed a m a g el e v e lo fm a t c r i a lai so b “o u s l yh i g h e rt h a t h a to fm a t c r i a l c f o rm a t e d a lb ，t h ed 锄a g ea r c a 舳c t j 伽丘i 】1 c r c a s c ss l o w l yw j t ht h ej n c f e m c n to f 昂，b u ta tt h es 锄e 晶名，t i l ed a 瑚g e 盯e af r a c t j o no fm a t e r j a lb i s1 0 w e f t h a nt h a to f m a t e r i a l a 孤dc ( 2 ) w h e 晶名i sl e s st b a no 8 6 1 ，t h ef r a c t u r et o u g l l n e s so fm a t e r i a la d e c r e a s e s s i o w i y 丽ht h ei n c r c m e n to f 昂名血t h ec a s eo f 昂名= o 8 6 1 ，t h e 疗a c i u r ci o u g j l n e s s d e c r e a s e sq u i d d yw i t ht h ei n c r e m e n to f 昂f 0 rm a t e r i a lb ，t h ef r a c t u r ct o u 曲n e s sk e e p s n e a rc o i l s t a n tw i t ht h ei i l c r c m e n t o f 晶，f 0 rm a t e r i a lc ，w h e n 晶，i sl e s s t h a i l o 8 6 1 ，t h e 抽c t u r et o u g t l n e s sk e e p sn e a rc o n s t 舭t w h e n 名e yi sb 培g c ri h a no 8 6 1 ，i h e 丘a c t u r et o u 9 1 l i l e s sd e c r c a s e sq u i c k l yw i t ht h ei n c r e m e n to f 晶只y w h e nt h ed a m a g ea r e a f r a d i o n 丘i sl o w ，t h ef f a c t u r et o u g h n e s so fm a t e r i a lc i s1 0 w e rt h a nt h a to fm a t e r i a la ，t h e d i f l e r e n c eo ft l l e 劬c t u r et o u g h n e s sb e t w e e nm a t e r i a lba n dci sl i t t l e b u tw h c nm ed a m a g e a r e a 盘a c t i o n i sb 噜，m ed i 址r e n c eb e t w e e nt h ef r a c i u r et o u 曲n e s so fm a t e r i a lb a i l dci s l i m e ，m ef r a c t u i et o u g i m e s so fm a t e r i a lci s1 0 w e rt h a nt h a to fm a t e r i a lb ( 3 ) a i 1 9 6 ，t h er e a s o nt h a ti h ef r a c t u r et o u g h n e s so fm a f e d a la a n dcd e c r e a s e sw i t h t h ei n c r e m e n to fi n i t i a ld a m a g ea r e af r a c t i o nj st l l a tt l l e r ei sh i g hl o c a ls t r e s sa n ds t m i n c o n c e n t r a t i o na m u n dt h ev o i dw h i c hi si m r o d u c e db yt h ep f e - l o a d i n g ，e s p e c i a l l yt h eb i gs t r i n g v o i d t h el o c a ls t r e s sa n ds t r a i nc o n c e n t r a t i o nm a k e su pt h ei n s u f f i d e n c yo fn o m l a ls t r e s s 1 1 1 初始损伤对币j 司钢组织缺口试样解理断裂行为的蟛响 仃w ，t h e nt h ed e a v a g ef r a c t u r eo c c u r sw h e n 弓 i sl o w ( s i c ) ，t h e nt h ee x t e m a lf i e l dv a l u e 仃w = 盯， i si o 、矾t h er c a s o nt h a tt h e 矗a c t u r et o u g l l i l e s so fm a t e r i a lbk e e p sn e a rc 0 s l a m w i t ht h ei n c r e m e n to fi i l i t i a ld a m a 叠el e v e li st h a tt h em a i ni n i t i a t i o ns o u r c ei ss m a l ls i z e s p h e r i c a lv o i d s ( i c ) o rp a n i d e s ( i p ) ，柚dt h ek i n d so ft h ei i l i t i a t i o ns o u i ed o n tc h a n g ew i t h t h ei n c r e m e mo f 晶弓a l t h o u g ht l l ed 柚a g ea r e a 丘a c t i o n正 i n c r e a s e sw i f ht h e i n c r e m e n to f 晶已，b u tt h ea b s o l u t ev a l u eo f 五i sl o w ，a n dt h em a i d 锄a g el 【i n di s s p h e r i c a lv o i d w i t hs m a l ls i z e ，a n dt h el o c a ls t r e s sa n ds t m i nc o n c e n t r a t i o na r o u n dt h e s p h e r i c a lv o i di sm u c hl o w e rt h a nt h a t o fb 远s t r i n gv o i d s o ，t h ef a c t u r et o u g h n e s so f m a t e r i a lbk e 印sn e a r n s t a n t ( 4 ) m a t e r i a lb i sn o ts e n s i t i v et ot h ep r e d 锄a g e ，t h a ti st os a y ，a tm es a m e 晶，名，t h e d a m a g eo fm a t e r i a lb i sl i t t l e ，a n dt h es i z ea n dt h en u m b e ro fi n i t i a ld e f e c ti sl i t t l e ，t h e 仃a c t u r e t o u 曲n e s so fm a l e r i a lb i sc o n s t a n tw i t ht h ei n c r c m e n to f 晶名b u ta ti h es a m e 昂， t h ed a m a g eo fm a t e r i a lci sb i g ，a dt h es i z ea n dt h en u m b e ro fi n i t i a ld e f e c ti sb i g ，t h e f r a c t u r et o u g h n e s so fm a t e r i a lcd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n io f 晶e y s oi t h ec a s eo f n e a rt h es 硼e 孕a i ns i z e s ，t h e 仃a c t u r et o u g h n e s so ft h es t e e lw i t hm u c hi n d u s i o n si sd e c i d e d b yt h eb i g i n i t i a ld a m a g ed e f e c t ，w h i c hd e c r e a s e st h ef r a c t u r et o u g h n e s s ( 5 ) f o rt h em a t e r i a l sw i t ht h es a m ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n di n d u s i o n s ，i nt h ec a s eo f 晶弓( o 8 6 1 ，t 王1 ef r a c t u r et o u 曲n e s si sd e d d c d b ym eg r a i ns i z e ，a n dt h e 劬c t u r et o u 曲n e s s o fm a t “a law i t hf i n e 咎a i ni sb i g g e rt h a nt l l a to f t h em a t e r i a lcw i t hc o a r s e 争a i l l w h e n 晶名i sb 塘g e rt h a no 8 6 1 ，t h ef r a c t u r et o u g i l l l e s si sd e d d e d b yt h ei i l i t i a ld 锄a g e ，a n dc h e e f f c c to f 嘶ns i z ed e c r e a s e s n ed a m a g el e v e lo fm a t e r i a la i sh j 曲，t h es i z eo fm ed e f e c ti s b i g ，t h e nt l l e r ei sm 0 i eh i g h e rs t r e s sa n ds t r a i c o n c e n t r a t i o na r o u n dt h ed e f e c t s ，t l l e nt h e p m b a b i l i t yo fm l d e a t i o na 1 1 dp r o p a g a t i o no ft h ec r a c ko fm a t e r i a la i sb i g g e rt h a nm a to f m a t e r i a lc t h e nt h ef r a c t u r et o u 曲n e s so fm a t e r i a la d e c r e a s e s ，t h a ti st os a y ，b e c a u s eo ft h e b i gi n i t i a ld a m a g e ，t l l ef r a c t u r et o u g h n e s si sn o ts e n s i t i v et ot h eg r a i ns i z e s ( 6 ) t 1 1 er e a s o nt h a tm a t e r i a la i ss e n s i t i v et 0i n i t i a ld 锄a g ei st h a tw h e nt h es p c c i m e n sa r e u n d e rm es a m e 只名，b e c a u s et h ey i e l ds t r e n g t h q o fm a t e r i a law i t hf i n e 孕a i si s h i 曲e r t h a n t h a t o f m a t e r i a l ba n d c s o ，t h e l o c a l n o 姗a ls t r e s sq 、吒、o f m a t e r i a l a i s h i g h e r t 上l en o 蛐a ls t r e s so fb o t ht h ei n n e ro fi n c l u s i o n sa n dt h ei n t e d a c eb e t w e e nt h e i n d u s i o n sa n dm a t r i xi sh i g h e ls o ，t h ei n d u s i o no fm a t e r i a lai se a s i e rt ob ef r a c t u r e do rt o b es e p a r a t e df r o mt h em a t r i x ，t h e n ，t h el e v e lo fi n i t i a ld a m a g eo fm a c e r i a la i sh i g h e l k e yw o r d s ： i n i t i a ld a m a g c ；a e a v a g ef r a c t u r e ；t 0 u g l l n e s s ；g r a i n ；、b i d s ；n o t c h e d s p e c i m e n s ；s t e e l ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d - 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： 马赴日期：伽6 年厶月f 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。本人授权兰卅l 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“”) 作者签名： 玛礁 刷程轹l 遥薹i 燮垂 日期：渺6 年6 月1 日 日期：碱年月1 日 硕士学位论立 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 。 美国从1 9 9 2 年到2 0 0 1 年十年间，锅炉、压力容器事故造成1 2 7 人死亡，平均每 年死亡人数不到1 3 人。受伤人数7 2 0 人，平均每年达7 2 人。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爆炸事故约五千起，人员伤亡累计近万人， 居国内劳动安全事故第二位。仅2 0 0 0 年发生锅炉、压力容器、压力管道爆炸事 故1 5 5 起，死亡人数1 7 5 人，受伤人数3 6 8 人，直接经济损失4 5 0 3 2 3 万元。我 国锅炉和压力容器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。由此可见，我国压力容器事故形势很严峻，每年因压力容 器事故给人民生命财产安全造成重大损失。虽然造成压力容器事故的原因有很 多，如设备本身因材料、设计、制造过程中存在质量问题，操作人员违章操作或 操作不当，或未按规定检验或违法拒检，致使设备存在缺陷未及时发现，管理不 到位等原因。但是，只有依靠先进科学技术，认清断裂的规律和本质，才能对事 故原因有了本质上的认识，多管齐下，才能从根本上解决压力容器安全问题。 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2 0 0 0 年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，目口产生 达到当年国民生产总值3 一4 的经济效益。在我国开展宏微观断裂力学的研究 必将为跨世纪期间降低由于破坏带来的经济损失及显著减少劳动事故打下基础。 这对于避免或减少重、特大事故的发生，保证和促进经济持续稳定发展和社会安 定，促进社会文明进步和保障人民群众生命财产安全方面有重大意义。 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 初始损伤对小j 司钢组织缺口试样解理断裂行为的影响 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。 结构材料的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。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、聚合，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【2 1 。 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过 程中不断萌生，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、聚合和相互作用，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分 布，这些都会影响到材料随后的变形、损伤和断裂的过程，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 服役及剩余寿命产生很大影响。因此需要对初始损伤对材料力学性能的影响及机 理进行深入研究，并能达到科学的定量化认识。工程材料具有不同的组织结构， 缺口类缺陷也是不可避免的。不同成分与组织的材料在缺口前应力、应变场的作 用下会形成不同的损伤场，从而对材料与结构后续加载中的断裂行为产生不同的 影响，搞清这一影响的规律及机理。对于建立考虑实际材料中的初始损伤及损伤 基元问的相互作用的精确的材料损伤断裂物理力学模型；对于进行精确的结构安 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。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 金属材料的损伤及其对力学性能影响的研究现状 d c h a e ，d a k o s s l 3 l 在研究h s l a 一1 0 0 钢在三轴应力度从0 8 到1 4 的范围 内承受拉伸破坏时，用孔洞体积百分数和数量密度来表征其损伤积累过程。研究 表明，在相对小的塑性应变时( e 。= 0 1 ) ，孔洞形核于夹杂物处，材料在拉伸破 坏过程中主要的损伤源为等轴状孔洞和尺寸大于1 0 胛的孑l 洞，它们主导了孔洞 体积百分数。孔洞长大对应力状态非常敏感，而初始球形和孤立孑l 洞，其孔洞长 大行为和r i c e t r a c e v 模型分析相一致，但孔洞长大取决于三轴应力度的程度比 r j c c t r a c e v 计算的要高。孔洞以等轴形状的方式聚合。破坏过程由孔洞长大和 聚合控制。即材料破坏是在孔洞快速长大，处于临界孔洞体积百分数处开始的。 故口，) 。可以看作是材料破坏判据，而口，) 。值随着三轴应力的增加而降低。在 三轴应力度从0 8 到1 4 的范围内，口，) 。保持很低( 即，) 。0 0 1 ) ，表明孔洞之 间大范围交互作用引起孔洞群和孔洞之间变形局部化，并引起孔洞快速长大、聚 合，并导致材料快速破坏。通过比较h s l a 1 0 0 钢和h y 一1 0 0 钢的损伤积累过程 可知，h y 一1 0 0 钢中长条形一次孔洞促使孔洞随应变长大速率明显加快，尤其是 高的三轴应力度，这导致了h y 一1 0 0 钢的低韧性。 v k s r i v a s t a v a 等【4 】通过使用不同重量的低速落锤冲击的方法在材料中引入 不同程度的损伤，研究了c c s i c 复合材料中的损伤对弯曲共振频率和弯曲弹 性模量的影响。研究表明，损伤面积随冲击能量的增加而增加。在受损区域内形 成了基体裂纹、纤维弯曲和破裂。受损区域就是复合材料中的软化区域，并且局 部放大了应力。弯曲共振频率随冲击损伤的增加而显著减少，其原因为损伤减小 了材料的刚性，这减小了共振频率。弯曲共振频率和弹性模量取决于材料的组织。 材料中有了微裂纹后引起材料组织的变化，降低了弯曲共振频率和弹性模量。 k e i i c h i r ot 0 h 2 0 等【5 】研究了分离损伤对玻璃状颗粒增强的尼龙6 6 复合材料 断裂韧性和裂尖场的影响。通过对玻璃状颗粒体积分数和基体和粒子之间界面处 理方法不同的七种复合材料的拉伸强度和断裂韧性做了检验。得出虽然在界面处 理过和未处理过的复合材料的基体和颗粒之间的损伤模型主要都是分离损伤。但 因界面处理过的复合材料的高的界面强度，其很难发生分离损伤。与界面未经处 理过的复合材料相比，界面处理过的材料的强度比未处理过材料的强度要高，但 其断裂韧性更低。通过使用基于颗粒增强复合材料增量损伤理论发展起来的有限 元方法，对两种复合材料的裂纹尖端场做了数值分析，再通过基于数值分析得出 的完整颗粒和分离损伤效应可以解释分离损伤对断裂韧性的影响。研究还得出， 完整的硬化颗粒和分离损伤对断裂韧性的影响可归纳为：复合材料的加载承受能 力，又叫拉伸强度，可以因完整硬化颗粒得到加强，因分离损伤而减小。然而， 对于裂纹场，因为高的应力集中，完整硬化颗粒降低了裂纹形核和长大的阻力。 然而，由于能量损耗和分离损伤减小了裂纹尖端周围的应力水平，分离损伤起到 了硬化机制。而裂纹尖端周围的损伤发展取决于颗粒和基体之间的界面强度和颗 粒体积百分数。总之，完整颗粒和分离损伤对拉伸强度和断裂韧性的影响是相反 的，并在具有更高的颗粒含量的复合材料中，这种影响更明显。故颗粒加强的复 合材料的机械性能可以看作是完整的硬化颗粒和分离损伤竞争效应的结果。 a o z t u r k 【6 】研究了循环疲劳损伤对碳碳复合材料断裂韧性的影响。研究表 明，循环载荷对致密编织碳碳复合材料断裂韧性的影响是应力值的函数。这种碳 3 初始损伤对不同钢组织缺u 试样解理断裂行为的影响 碳复合材料对脉动拉伸应力有很强的抵抗力。在疲劳循环中的拉伸载荷未达到静 拉伸强度8 0 之前，复合材料的断裂韧性未受影响。当复合材料承受的疲劳载 荷超过这个门槛应力值时，断裂韧性就下降。研究表明，在更高的应力水平下， 疲劳测试试样的k 。大约下降9 。同样，当疲劳循环次数增加时，k ，值有了显 著的减小。脉动拉伸载荷引起复合材料载荷一位移曲线的变化。其原因为在基体 中出现了微裂纹并且减弱了纤维基体界面，这表明疲劳损伤是一个逐渐积累的过 程。这种复合材料的疲劳损伤机理由纤维损伤、基体损伤和界面损伤组成。纤维 损伤是突然发生，然而基体损伤和界面损伤是逐渐演化的过程。基体损伤的形式 是基体裂纹，界面损伤的形式为纵向开裂。纤维损伤导致纤维束和界面的分离。 在脉动拉伸应力作用下，在基体范围内，复合材料的组织已经发生了一些变化。 i d l o u h y 等【7 】研究了静态预加载对碳化硅纤维玻璃体基体复合材料断裂韧 性的影响。研究表明，c h e v r o n 缺口技术是一种评价连续纤维增强的脆性基体复 合材料承受静预载引起微观损伤之后的断裂韧性的有效方法。采用c h e v r o n 缺口 三点弯曲试验可测得断裂韧性k ，；这种方法对于精确检测和定量由于静预载引 起的在纤维基体界面上的微小裂纹是非常有效的。尽管测得的k ，广具有很大的分 散性，但发现随着预应力和加载持续时间的增加，其断裂韧性下降。建议采用有 效应力作为定量评价预应力和持续时间对复合材料断裂应力的累积和综合影响。 l m i s h n a e v s k y 等【8 】对塑性基体中硬的易损伤夹杂物的显微组织、排列和体 积含量对变形和损伤演化的影响做了数值和概率上的研究。研究发现，团聚颗粒 的排列导致了试样破坏的概率比随机均匀颗粒排列的悔况高3 倍，团聚颗粒排列 复合材料的破坏应变比均匀颗粒排列的复合材料的破埔应变显著低一些。与均匀 颗粒排列的复合材料相比，团聚颗粒排列导致其复合材料流动应力和刚度有了稍 微的增加( 2 3 ) 。而且相邻颗粒之间平均距离越大，复合材料的破坏应变也越大。 吴志学pj 研究了中碳钢光滑试样在经历不同程度的疲劳损伤后，对材料力学 性能的影响。研究发现，疲劳损伤会引起材料力学性能一定程度的退化。即光滑 试样在产生宏观疲劳裂纹之前，随着疲劳损伤程度的加剧，材料比例极限逐渐增 加，断面收缩率逐渐下降，而抗拉伸强度没有明显变化。他认为这一持续退化现 象与试样表面短裂纹的演化过程密切相关，是短裂纹先后形成和扩展行为的反 映，也体现了材料在疲劳过程中的持续硬化特性。当裂纹大于一定尺寸以后，试 样横截面的应力( 应变) 分配受裂纹控制，损伤完全集中于裂纹尖端处，使比例极 限、断面收缩率、抗拉强度、材料的塑性同时下降。 李晓红等【1 0 】研究了初始损伤非均匀性条件下的材料细观损伤演化。采用孔 洞群三维体胞模型对孔洞大小及分布非均匀情况下的材料损伤进行模拟计算，发 现孔洞非均匀性增强了局部的孔间干涉作用和孔洞的长大，引起材料损伤局部性 不均，表明非均匀细观结构较均匀化假设更易造成材料的损伤和破坏。并指出 g u r s o n 修正模型中采用常系数q 1 和q ，描述孔间干涉作用不够准确，吼和q ：是一个 逐渐增大的变化量。在较低三轴应力状态下，主要由孔间距决定了干涉作用的强 弱，这一作用距离与相临两孔平均半径属同一数量级，当孔间距大于这一作用距 离时，孔间干涉作用迅速减弱。在较高三轴应力状态下，这一作用距离有所减小。 张昌锁等【1 1 】研究了延性材料的损伤断裂。以细观统计损伤理论为基础，定 量计算了材料受冲击载荷作用下初期损伤的成核成长效应。得出不同动载荷下从 损伤成核到成长阶段转换的特征时间，并把它用于j o h n s o n 提出的延性材料损伤 断裂模型。得出初始损伤d 。= ( 锄3 ) “l 0 9 3 ) ( 弦) ) g 矿。这增加了j o h n s o n 模型的确 定性和可预测性。研究还表明，损伤成核与成长在损伤演化过程不同阶段是有不 同的作用，损伤初期成核占主导，经过一段时间后演化成长起主要作用，成核效 应可以忽略。成核与成长的转化与材料及加载幅度有关。对于一维应变条件下材 料的损伤断裂来说，通过合理的简化可以用初始损伤度来代替成核效应，但初始 损伤度必须考虑加载条件的影响。 李晓红等【1 2 】应用有限元方法研究了延性材料损伤孔洞尺寸效应。研究表明， 损伤孔洞尺寸对整个损伤变形过程有很大影响。孔洞的长大与基体材料、孔洞排 布、孔洞形状等诸多因素有关，受应力状态参数的影响很大。在较低应力状态下， 孔洞尺寸的差异，对孔洞增长的快慢影响较小，但在高应力状态下，这种影响很 突出，如孔洞尺寸相差1 倍时，孔洞扩展速度可相差2 3 倍。大尺寸孔洞加速 了材料中孔洞体积分数的增长，加剧了材料损伤。故降低材料中孔洞或颗粒尺寸 有助于其延性，尤其是断裂韧性的提高。研究还得出考虑孔洞尺寸后孔洞长大模 型公式，蛳即d w 咖= 妒( d ) ( 1 一，) d 脚：i ，使其能更细致和真实地描述孔洞损伤过程。 刘立柱等1 1 3 l 研究了材料损伤断裂中微孔洞的增长。提出了基于无限基体假 定的微孔洞增长模型，模型认为徼孔洞增长是周围基体释放的应变能与表面能及 周围基体运动的动能之间相互转化的结果。研究表明，孔洞的增长主要决定于基 体所承受的静水拉应力，偏应力影响较小。在不考虑惯性效应时微孔洞增长速度 与其体积成正比，可以用加和方式通过微孔洞的体积之和来表征材料的损伤程 度。孔洞的增长方程为二：丝。尘兰型监。而惯性效应对微孔洞的增长具有 4九k 阻碍作用，阻碍作用与微孔洞的体积与应变率成正比。在微孔洞长大初期惯性效 应的影响不大，随着微孔洞半径的增大，阻碍作用增强。由于惯性效应的影响， 材料中的损伤程度不仅决定于所有微孔洞的体积和，而且决定于微孔洞的数量及 厂j 其半径，此时微孔洞的增长方程为d ：坐芏竺卫二1 。此时方程非线性几何相 垫篁堡垒翌尘些型丝堡篁! 兰童堡竺塑型至塑竺星塑 似性已不成立。此时不能用简单的加和方式由微孔洞的增长确定材料的损伤演 化，而且j o h n s o n 的用微孔洞的相对体积来表征材料的损伤是不合适的。 李晓红等【1 4 】对球墨铸铁材料细观损伤破坏机制进行了研究。研究表明： 材 料中孔洞的演化敏感于三轴应力状态。在较高三轴应力状态时，石墨颗粒与基体 分离形成的一级孔洞扩展很不充分，且断裂孔洞体积分数，较小：在较低三轴 应力状态下，一级孔洞在较高的“宏观”塑性应变条件下扩张较充分，损伤演化 后期，基体中晶体缺陷及晶界夹杂物等处二级孔洞形核成为可能，因此有二级孔 洞形核和长大，断口上有较多的韧窝，促使孔洞连接和最终断开。这时断裂孔洞 体积分数一考虑一级、二级孔洞体积之和。体积分数较大，的较大差异意味 着材料在不同受力情况下，细观层面上表现出损伤聚合机制不同，因此用单参数 ，来描述和判别损伤演化的各个阶段状态是不充分的。 李萍等【”l 通过对经过一次或多次屈服后的试样进行拉伸，研究了屈服损伤 对高压容器用钢n i 3 v 钢力学性能的影响。研究表明，未受损伤的n i 3 v 钢屈服 后可看作是理想的塑性材料，受过损伤的n i 3 v 钢可看成是线性硬化材料。损伤 对n i 3 v 钢的屈服强度r 。0 2 和弹性模量e 都有影响。随着损伤次数的增加，r 。0 2 值上升，试样总变形相应增加，但对强度极限民没有影响，说明该材料的强度 极限不受屈服损伤的影响。第一次屈服损伤后，e 值下降，随着损伤次数增加， e 将不再下降而趋于一稳定值，损伤度d 也不再增加。 张昌锁等i ”】通过研究，提出了统计损伤与连续损伤理论相结合的损伤演化 模型的雏形。即通过对微孔洞成核、成长过程的合理简化，建立了微孔洞演化的 控制方程，得到了延性材料微孔洞数密度的表达式n ( c ，f ) ： 旦，f ：r 塑 h j co o ，f 。广生 j c 及损伤 演化方程的解析表达式厂一3 玎+ ( 4 3 ) 石q r 3 。并通过这一结果解释了成核与成长在 损伤演化中的作用。即在损伤演化初期，微孔洞比较稀疏，它们之问的相互作用 较小，损伤积累量小，故对成核、成长的影响很小，统计独立性可以满足。成核 成长决定材料损伤演化的过程，在损伤演化初期成核效应占主要地位，随着损伤 的不断演化，成长占主要地位。成核对损伤演化有两方面的贡献：一为成核孔洞 的体积对总孔洞体积的贡献( 体积效应) ；二为成核对损伤初始值的贡献。 安敬竹i ” 编译了当前金属材料损伤的发展。得出以下结论：材料中能形成 两种类型的损伤，既在零件的工艺准备阶段形成的工艺损伤：使用过程中发展的 使用损伤。这都会降低材料的持久性和使用性能。损伤u 可用材料密度的变化表 示：u ( ( 风一n ) 佃。) x l o o = ( p ，p ) 1 0 0 。工艺损伤是金属在结晶、变形和热处 硕士学位论文 理阶段聚积而成，可达1 2 1 _ 8 。使用损伤取决于零件的组织和外部加载条件。 循环加载时，同时出现不同的破坏机制，既微孔洞和微裂纹破坏机制。这会使得 缺陷聚积的程度显著增加。材料内损伤的发展，缩短了零件的使用寿命。材料中 产生的内应力，也加速了损伤的发展。损伤聚积过程可用坐标为损伤度和相对破 坏时间的图上的曲线来描述，并可预测以一定材料制造的并在一定条件下服役的 零件的使用寿命。根据零件的损伤度，能判断其机械性能变化的趋势并可估算其 持久性和确定其性能变化趋势。 八十年代以来，材料损伤断裂行为的研究进入宏、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、损伤到断 裂的全过程( 18 1 。主要的研究工作涉及不同材料组织的损伤机理f 1 9 t 1j ；损伤测量 方法【2 2 ，2 3 】：材料制各、加工工艺与损伤、断裂的关系1 2 4 ，2 5 】；及损伤模型的建立【1 9 ，2 6 1 ， 在这些模型中一般未考虑实际材料中的初始损伤及损伤基元间的相互作用。关于 损伤对材料力学性能影响的实验和理论研究工作相对较少。近年来有限的几项工 作主要包括： ( 1 ) 塑性损伤对复合材料弹性模量、强度、流变应力、拉伸延性和断裂韧性 的影响【1 2 t ”，2 7