初始損傷對后續(xù)損傷演化和斷裂的影響及機理.pdf

1、本文主要通過有限元(FEM)模擬計算及和實驗的對比對金屬材料中的初始損傷對后續(xù)延性損傷演化和斷裂行為的影響進行了研究。用GTN(Gurson，Tvergaard，Needleman)損傷模型對C-Mn鋼缺口拉伸試樣延性斷裂的預(yù)測研究表明：當缺口根半徑R≤2mm時，GTN模型對缺口拉伸時的最大載荷Pm、起裂載荷Pi、斷裂載荷Pf和斷裂功E的預(yù)測值與實驗值較為接近。而當R>2mm后，預(yù)測值與實驗值的偏差變大。其原因在于GTN模型是基于微孔洞

2、長大和聚合的延性斷裂機理而建立，對于根半徑較小，促使孔洞長大的三向應(yīng)力度較高的缺口試樣較為適用。GTN模型預(yù)測的三個特征載荷，尤其是表征韌性的斷裂功E的值總體上高于實驗測定值，并且其預(yù)測的延性起裂位置在R≥1mm時也與實驗觀察不一致。其原因是GTN模型未考慮實際材料組織中初始的夾雜物/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。 對缺口前初始大尺寸夾雜/孔洞分布對延性裂紋擴展的影響的研究表明：當同等大小的孔洞呈周期性

3、均勻分布時，高三向應(yīng)力區(qū)決定了延性裂紋起裂位置，裂紋擴展路徑比較平直，裂紋擴展阻力低，材料韌性低。當同等大小的孔洞呈隨機分布時，高三向應(yīng)力區(qū)和孔洞間距共同決定了延性起裂位置，裂紋呈“之”字路徑擴展，與實驗觀察吻合，裂紋起裂和擴展韌性較高；當不同大小的孔洞呈隨機分布時，損傷孔洞尺寸、三向應(yīng)力度和等效塑性應(yīng)變ε p的大小共同決定了延性裂紋的起裂，分立的大尺寸孔洞誘導(dǎo)了裂紋擴展路徑，與實驗觀察非常相近，裂紋起裂和擴展韌性最高。從提高材料韌性的

4、角度看，在材料制備和加工中應(yīng)盡可能降低大夾雜物/孔洞的尺寸，減少大尺寸夾雜物的數(shù)量；在空間上，應(yīng)盡可能使夾雜物隨機均勻分布。 對熱軋鋼中的長條形初始損傷孔洞承受不同方向最大正應(yīng)力時的后續(xù)損傷演化和斷裂過程的細觀有限元力學(xué)分析研究表明：熱軋鋼中的長條形夾雜物與基體剝離后形成的長條形孔洞在后續(xù)加載中，其周圍產(chǎn)生的局部高應(yīng)力應(yīng)變集中及其相互作用，使孔洞長大。孔洞長大行為存在明顯的個體差異，個別大孔洞的快速長大和聚合，對材料破壞起主導(dǎo)作

5、用。當長條形孔洞承受不同方向的最大正應(yīng)力加載時，孔洞周圍產(chǎn)生的局部應(yīng)力應(yīng)變分布及其相互作用不同，孔洞長大速率及其聚合時的臨界外加主應(yīng)變不同，相應(yīng)的材料延性起裂韌性不同。當最大正應(yīng)力與孔洞長條平行時，韌性最高；垂直時，韌性最低。 初始損傷量和分布及基體材料性質(zhì)對孔洞后續(xù)長大與聚合影響的FEM力學(xué)分析研究表明：當初始夾雜物/孔洞面積分數(shù)小，尺寸越小時，孔洞越不容易形核；當夾雜物尺寸較小時，隨后形成的孔洞也相應(yīng)較小，孔洞越小，孔洞之間

6、的韌帶越大，同時孔洞損傷演化越均勻，材料的韌性越高。為了使材料韌性不降低，在材料的制備和加工中應(yīng)產(chǎn)生盡可能少的初始損傷。當夾雜物呈均勻分布時，孔洞不容易形核；呈團簇分布時，孔洞容易形核。當初始孔洞均勻分布時，孔洞長大可以分為兩個階段：所有孔洞均勻長大階段和不平衡長大階段，其對應(yīng)的材料延性起裂韌性較高；但是當初始孔洞呈團簇分布時，團簇內(nèi)的個別孔洞主導(dǎo)了材料的破壞，其對應(yīng)的材料延性起裂韌性較低。在夾雜物處形成的大尺寸孔洞主導(dǎo)了損傷的演化過程