初始損傷對ModeⅠ-Ⅱ混合加載下材料斷裂行為的影響.pdf

1、本文主要通過有限元(FEM)計(jì)算及和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，對一種低合金高強(qiáng)鋼中的初始損傷孔洞對Mode Ⅰ/Ⅱ混合加載下的后續(xù)損傷演化和斷裂行為的影響進(jìn)行了分析研究。得到的主要創(chuàng)新性結(jié)論如下： (1)Mode Ⅰ/Ⅱ混合加載下，缺口前鈍化側(cè)的孔洞在外加載荷P/Pgy<0.2時(shí)沒有長大；0.2

0.8后快速長大，且長大速率隨P/Pgy而增加。銳化側(cè)的孔洞在整個(gè)加載范圍內(nèi)基本沒有長大。整體孔洞面

2、積分?jǐn)?shù)fa隨P/Pgy的增加源于鈍化側(cè)孔洞的長大。鈍化側(cè)較高的三向應(yīng)力度<'σ<,m>/σ>和等效塑性應(yīng)變εp是其孔洞長大的主要力學(xué)原因。 (2)純Mode Ⅰ加載時(shí)，缺口中心區(qū)的大部分孔洞在高<'σ<,m>/σ>，εp的作用下快速長大，導(dǎo)致最快的損傷發(fā)展速率和最低的延性起裂韌性，起裂位置在缺口中心，Mode Ⅰ/Ⅱ復(fù)合加載時(shí)，隨Mode Ⅱ比例的增加，鈍化側(cè)的孔洞長大速率總體上減慢；銳化側(cè)孔洞由略有長大，到基本不變，再到尺寸減

3、小而發(fā)生轉(zhuǎn)變。因而導(dǎo)致總體的損傷發(fā)展速率隨Mode Ⅱ比例的增加而減小。鈍化側(cè)孔洞長大最快列的位置，隨Mode Ⅱ比例的增加，由靠近缺口中心向遠(yuǎn)離缺口中心移動，由孔洞長大最快列所決定的延性起裂位置發(fā)生相應(yīng)移動。上述孔洞長大和聚合行為及材料延性起裂位置和起裂韌性隨Mode Ⅱ比例的變化源于Mode Ⅰ/Ⅱ復(fù)合加載時(shí)，缺口前端的三向應(yīng)力度<'σ<,m>/σ>，和等效塑性應(yīng)變εp的分布隨Mode Ⅱ比例的變化。較高<'σ<,m>/σ>和εp處

4、的孔洞長大速率快，聚合得早，決定了延性起裂位置和起裂韌性。 (3)當(dāng)外加載荷P/Pgy<0.8時(shí)，不同初始損傷量的三個(gè)試樣的孔洞面積分?jǐn)?shù)fa隨P/Pgy基本不變；0.8

1.0后，三個(gè)試樣的孔洞面積分?jǐn)?shù)fa都隨P/Pgy迅速增加，且初始損傷孔洞越大，孔洞面積分?jǐn)?shù)fa增長越快，即損傷演化速率加快?？锥疵娣e分?jǐn)?shù)fa的變化主要源于鈍化側(cè)孔洞的長大。在銳化側(cè)，孔洞尺寸基本不變或略微減小。隨初始

5、孔洞尺寸增加(即初始損傷量增加)，鈍化側(cè)孔洞周圍的局部三向應(yīng)力和塑性應(yīng)變εp的值增大，孔洞間的相互作用加強(qiáng)，使較高載荷P/Pgy時(shí)的孔洞長大速率增大，使孔洞與缺口之間的聚合發(fā)生得更早，材料的延性起裂韌性(Pi，E)降低。 (4)GTN損傷模型可以準(zhǔn)確地模擬預(yù)測Mode Ⅰ/Ⅱ混合加載下具有較高M(jìn)ode Ⅰ比例的試樣發(fā)生于鈍化側(cè)的微孔型延性起裂的位置和裂紋擴(kuò)展方向。而不能預(yù)測Mode Ⅱ比例很高時(shí)，發(fā)生于銳化側(cè)的剪切型開裂。用GT

6、N模型模擬預(yù)測的延性起裂韌性P<'i>和E要高于實(shí)驗(yàn)測定值。其主要原因是GTN模型用微孔體積分?jǐn)?shù)f<'v>這一損傷變量隱式地描述孔洞長大和聚合的損傷演化過程，而未考慮具體孔洞的尺寸，形態(tài)，分布和方位對損傷演化和斷裂過程的影響。由于GTN模型是基于微孔洞的形核，長大和聚合的延性斷裂機(jī)理而建立的，在三向應(yīng)力度<'σ<,m>/σ>較高時(shí)，這一機(jī)理的主導(dǎo)作用加強(qiáng)，其對損傷斷裂預(yù)測的準(zhǔn)確性提高，因此在純Mode Ⅰ加載時(shí)預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)吻合程度最好。

7、隨Mode Ⅱ比例的增加，裂紋擴(kuò)展阻力曲線升高，裂紋擴(kuò)展韌性增加。 (5)當(dāng)初始損傷孔洞在缺口前呈周期性均勻分布時(shí)，裂紋沿徑向的一列孔洞直線擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展速度快，擴(kuò)展阻力低。當(dāng)孔洞呈錯(cuò)開的非周期性均勻分布時(shí)，裂紋沿徑向呈“之”字形擴(kuò)展，相距較近的孔洞誘導(dǎo)了裂紋擴(kuò)展路徑。當(dāng)大小相同的孔洞呈隨機(jī)混亂分布時(shí)，位于鈍化側(cè)高<'σ<,m>/σ>和εp區(qū)的孔洞長大快，且相距較近的孔洞優(yōu)先長大聚合，導(dǎo)致在缺口前一定距離處延性起裂。隨后裂紋擴(kuò)

8、展沿高<'σ<,m>/σ>和εp的路徑，并被距裂紋較近的孔洞所誘導(dǎo)，使裂紋呈不規(guī)則曲線擴(kuò)展，與實(shí)驗(yàn)觀察吻合。當(dāng)大小不同的孔洞呈隨機(jī)混亂分布時(shí)，其裂紋起裂和擴(kuò)展形貌與大小相同的孔洞呈隨機(jī)混亂分布時(shí)相似，只是大尺寸的孔洞長大快，在誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展路徑中起主導(dǎo)作用，與實(shí)驗(yàn)觀察十分吻合。當(dāng)橢圓形孔洞呈隨機(jī)分布時(shí)，孔洞位向?qū)α鸭y擴(kuò)展路徑有重要影響。當(dāng)孔洞的長軸與缺口切向垂直時(shí)，孔洞長軸兩端產(chǎn)生高的應(yīng)力，應(yīng)變和損傷集中，使孔洞的長大，聚合加快，并誘導(dǎo)裂