铝合金材料剪切断裂实验分析.pdf

第卷第期 年月 力学季刊 认 铝合金材料剪切断裂实验分析 汤安民 师俊平 西安理工大学工程力学系 西安 摘要金属材料受载作用发生断裂 断裂面形 式 有拉断 剪 断和拉剪混合型 由于剪断过 程中塑 性变形较为复 杂 问题的研究难度大 观点争论 多 本文对 一 铝合金材料复合型平面应变载荷状态 下 的几种 断裂试验 结果作了分析 认为在型 近型时发生的剪切型断裂 启裂点在裂尖 附近应力三 维度 取最大值处 剪断的开 裂方 向则与启裂点上最大剪应力方向有关 同时对超强铝合金作常规破坏试验 该材料在拉伸 扭转 与压 缩试验时均呈剪切断裂 断裂面沿最大剪应力方位 破坏剪应力随试件应力三维度的降低而增大 综合分析试验 结果得到了一些有用的结论 关键词铝合金 剪切断裂 应力三维度 最大剪应力 中图分类号 了 一 乞 石叮九牲 一 乞牡 一 一 一 一 一 材料破坏细观力学 的试验分析 表 明 金属材料受载作用发生断裂 断裂面形式有拉断 剪断和拉 剪混合型断裂 对于 由孔洞成核 扩 张与聚合使裂端材料产生的正拉断情况 已有许多学者作了富有成效 的研究 但对于剪切断裂 问题 由于剪断过程 中塑性变形较为复杂 应力场难以精确计算 这一问题 中 仍有许多认识处于众说纷纭状态 本文对 一 铝合金材料近型及纯型平面应 变载荷状态下 的 剪断试验结果作了分析 考察裂端孔洞的扩张规律 认为启裂点在裂尖附近应力三维度取最大值处 剪断 的开裂方向则与启裂点上最大剪应力方向有关为弄清影响铝合金剪断的主要 因素 对多种牌号铝合金材 收稿日期 一 基金项目陕西省 自然科学基金资助项目 作者简介汤安民 一 男 陕西省渔关县人 高级工程师 学士 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第期汤安民 等铝合金材料剪切断裂实验分析 料进行了常规破坏试验 超强铝合金在拉伸 扭转与压缩试验 时均呈剪 切断裂 断裂 面沿最 大剪应 力方位 破坏剪应力随试件应力三维度 的降低而增大 由此得到了一些有用 的结论 平面应变复合型断裂试验 宏观断裂试验及结果 一 材料的力学性能为 占 将板材加工成紧凑拉剪试件 式样上六个孔与一双特制卡具相连接 可实现不同的工复合比 如图所示 在近型载荷状态 下 试件断裂 时 断口的宏 观型貌为 典型的韧窝断口 启裂 点位于裂端钝 化变形区 启裂区附近孔 洞为椭 球 孔洞间的扩张 聚合主导着材 料的启裂 在工复合型载荷状 态下 其断裂为孔洞扩张 聚合 与剪切失 稳各 占一定比例的混合型断 裂 试样中部孔洞多 为长条形状 启裂首先发生于试件厚度 的中心部 位 且以孔洞扩张 聚合方式向试件的表面及前方扩展 当此扩展接近 试样 的表面时停止扩展 试件表面 的材料处于平面应力状 态 由于三 轴应力状态的减小 容易发生较 大的塑性变形 接近表面材料出现剪 切失稳断裂方式 在 近型 及 纯型载荷状 态 下 裂 端锐化 变形占 优 但启裂仍发生在钝化变形区域 裂纹启裂 时 式样 断面以剪切断裂 为主导 特征为面内整体剪切 型貌 由局部大塑性变形引发的局部剪 切带及扩张是导致剪 断的主要 因素 断口分析表明 启裂前在启裂区 加载卡具 圈试件及拉伸卡头 前方已有较大范围的细长孔洞形核 但在剪切断裂过程中 孔洞在断裂面方向基本不扩张启裂方向与原 裂纹线的夹角随载荷复合程度的变化见表 总结以上 一 材料在不同复合比下 孔洞的形状会 由 椭球形逐渐变化为长条形 细 长形材料的断裂形式也逐渐发生变化 近工型以正拉断形式为主 复合型正 拉断和剪断两种形式在断口上均占一定比例 近型则以剪切断裂为主 表 材料的试验结果 载荷形式 断裂角 载荷 表中 夕 二 时 断裂面是拉断与剪断的混合形式 测 出的断裂角更反映启裂后裂尊的扩展方 向 五型问题应 力三维度和应 力场 文献 已对型裂纹 的应力三维度场 和试验结果作了合理的分析 但对型剪切断裂问题 的认识 尚存在分歧 同时 都误认为型场 值均小于零 因此本文仅讨论平面应变条件下 的型裂 纹场 型问题控制条件下应力场 中主应力及应力三维度 的解析式为 普却卜寻 一 人 一 了月 一 梅丽下 气万 乙二 口 戈 生一 百 百 气 土十 百 万 一 佘 衅 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 力学季刊第卷 一一 二 由式 和各处主应力方向 与之关系见表 表型应力场 和 与的关系 凡 气 一 一 叫目网目 一 一一 一 又 久 一 目 目食健留傲形健 表中的 角度值为各点上最大拉应力作用 面方向 由 上述分析可知 型 问题的控制区内 应力三维度与 外载和径 向半径无关 随 角度的减 小 而逐渐增加 在 口 一 处取得最大值 后 又逐渐减小 在场中应力 三维 度 的极 大值处的最 大 拉 应 力 作用 面方向 为 一 该处最大剪应力方向为 一 考虑该铝 合 金材料在塑性 阶段呈幕硬化的特性 作控制场的计 算 应力场的分布形式与场基本相似 在工型及近型载荷形式下 裂纹尖端的 最大 值位置与材料中裂纹的实际启裂位置均十分接近 文献 曾提 出 最大值位置 即对于裂 纹的启裂点 但长 期以来对于型 问题的认识上 此看法却遭到了否定 作者认为问题出在对试件上裂纹开 裂方向的认识上 实 际上裂纹 的开裂应包含两个方面 一是启裂点在裂尖半 径为 的圆周上 的什么位置 二是裂 纹沿启裂点什么 一 离班央尾离刀恤口 图型裂端应力三维度分布场与启裂方向 万 方 向开裂前者如 同确定危险点 后者属危险点上的断裂方向 长期以来 断裂力学试验研究中 把 裂纹 的 启裂方向认作是启裂点与裂尖的连线方向 实质上是用启裂点的位置方向代替了启裂方向 混淆了两个 不同的概念 这种认识不能解释韧性材料复合断裂 的一些试验结果阁 综合上述试验分析和应力 场的计 算 作者认为将试验中观察到 的启裂方向判定 为启裂点的开裂方 向较为合理 一 材料在 近型及 纯型平面应变载荷状态下发生 的剪切断裂 以上分析表 明启裂点在裂尖附近钝 化变形区应力三维度取 最大值处 裂纹启裂方 向为启裂点上最大剪应力方 向 利用文献 的试验结果也能说明以上认识 铝合金的常规断裂试验 为了解铝合金材料发生剪切断裂时 的主要特征 我们对多种铝合金材料作了常规破坏试验 多数材料 在拉伸破坏试验 中有 明显 的颈缩 断口呈杯口状 中心部为正拉断 周边为剪断 扭转破坏试验时试件沿横 截面剪断 压缩 时试件发生大的塑性变形不易断裂 而材料在拉伸破坏试验中 断裂前颈缩现象不 明显 断裂 面为与轴线呈的斜截面 为剪切断口扭转 时试件沿横截面剪断压缩时试件在发生一定塑 性变形后沿 约斜截面剪断 具体试验情况如下 试验利用管材 加 工成拉伸试件根扭转试件根压缩试件块 分别利用 一 一 一 材料试验机进行试验 试验结果见表 表 表 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第期汤安民 等铝合金材料剪切断裂实验分析 表拉伸破坏实验结果 试样 叮 占一 一匕月匀一七 甘井材共特 八乙匕 表扭转破坏实验结果 昭 矛 表压缩破坏实验结果 目 于 拉伸时断裂面均为 斜截 面 断面为韧性断口 稍显不平 试件直径平均减小 扭转时断裂面为 试件横截面 断面齐平 压缩时断裂面约为 斜截 面 断面光滑 试件直径平均增大 上述几个常规试验 中材料处于不同的应力状态下 但发生 了相 同的断裂形式 均为剪切断裂 并且不 同试件剪切断裂 的方向均沿实际试件中的最大剪应力方向 试件中的应力三维度 在拉伸时为 扭转 时为 压缩时为 一 以应力三维度值作为应力状态的变化参数 试验结果表 明 随应力三维度 的下降 材料抗剪切破坏的能力得到提高 莫尔强度理论认为材料发生剪切断裂 的断裂方 向为最小内摩擦方 向 因此提出了一个内摩擦角的概念 材料的试验结果 则对内摩擦角的说法提出了疑问 铝合金材料的剪切破坏机理与影响因素 已有 的研究 川认为 对于 由孔洞成核 扩 张与聚合使材料产生的正拉断情况 断裂 的物理机制表 现 为在应力三维度有较大值区域 孔洞首先在夹杂及第二相粒子处形核 孔洞一旦形核 即在增长着 的三轴 应力场作用下不断扩张 直至相邻间孔 洞连接 形成宏观裂纹 导致材料断裂 对 一 材料的 破坏试验过程和试件断裂面进行分析 其断裂的物理机制是当受力试件应力三维度较低时 材料中塑性 变形较大 虽然在断裂区存在许多成核孔洞 但塑性变形已影响了孔洞体积 的扩张 使正拉断不易发生 塑 性应变聚集较大时在最大剪应力方向上产生塑性流动 其结果形成一些局部剪切带 局部剪切带的扩展引 起剪切断裂发生 应力三维度 的大小综合表示了应力场中三轴张力状态程度和对材料形变的约束程度 高表示 应力状态偏于受拉 材料易于拉断反之 低表示应力状态偏于受压 材料 易于剪断 总结 多种材料的 简单破坏实验 影响材料断裂形式 的主要 因素为所受应力三维度大小和材料特性本身 应力三维度相同 时 材料不同则断裂形式可能不 同 如扭转试验 时 灰铸铁发生脆性拉断 而铝合金与低碳钢则发生塑性剪 断 同种材料应力三维度不 同时 断裂形式也不同 铝合金受三向拉应力时发生脆性断裂如平面应变 1994 2008 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 力学季刊第卷 一一 一 一一一一 一甲一声一 一门 型问题 受双向拉伸时发生剪切断裂 如平面应力型问题 纯剪时也剪切断裂 而对于复杂受力 的构 件 由于 的各处不 同 构件断裂时 断面可能既有拉断区域 又有剪断区域 呈混合型断裂 对于剪切断裂的情况 影 响材料剪切断裂 的因素有 首先由于剪断时材料有较大的塑性变形产生 所 以剪应力是影响剪断的重要 因素 而且剪断发生时断裂面基本沿最大剪应力方向 那么最大剪应力比其他 两个主剪应力的作用更为重要 是主要影响因素 其次当破坏点应力三维度值较小 时如受压形式 剪应 力的极 限值有较大提高而当破坏点应力三维度值较大时 由于该处材料中易形成微孔洞 使剪切带的临 界应变值有较大降低 所以应力三维度也是影 响剪切断裂 的重要 因素 综合考虑以上影 响因素 可以提 出以下剪切断裂函数 阳 式 中 分别为 对沿方向发生剪断的影响系数 召为应力三维度 对剪断的影响系数 由 于 与方 位在菱形十 二 面体上有 对 称 性 影 响 系数 也应 相 同 并 且主剪 应力 间存在关系 十 几 一 的作用 可用表示 前项已考虑了剪应力的综合作用 后项应力三维度的影响则 可仅考虑平均应力 的作用 取必为影 响系数 剪断函数又可简单表达为 如 对常规剪切断裂问题 可利用材料在不 同应力状态下 的两个 剪 断型试验确定的极限值和沪值 如对 由拉 扭破坏试验 可确定出该材料 沪 对于带裂纹构件的剪 断问题的处理 使 用方法相似 结论 受材料特性与应力三维度值大小的影 响 材料会发生不同的断裂形式 一 材料发生剪 切 断裂 的机理为当受力试件应力三维度较低时 材料 中塑性变形较大 塑性应变的发展已影响了孔 洞体 积的扩张 使正拉断不易发生塑性应变聚集较大时 在 最大剪应力方 向上产生塑性流动 其结果形成一些 局部剪切带 局部剪切带的扩展引起剪切断裂发生 启裂区上最大剪应力值 应力三维度值是影 响材料的 剪断的主要因素 一 在型 近 型载荷状态下发生的剪切型断裂 启裂点为裂尖附近应力场中应力三维度最 大值处 启裂方向为启裂点上的最大剪应力方向 由此认识 可合理地解释多种中强度材料剪切型断裂的 裂纹开裂方向 文 中研究的几种材料在破坏试验中 曲线上没有明显 的塑性流动区 塑性变形没有太大 的 改变原裂端应力场的分布形式 对于断裂过程中存在 明显塑性流动 的问题 以上