初始损伤对后续损伤演化和断裂的影响及机理

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1、摘要本文主要通过有限元(FEM)模拟计算及和实验的对比对金属材料中的初始损伤对后续延性损伤演化和断裂行为的影响进行了研究。用GTN(Gurson，Tvergaard，Needleman)损伤模型对C．Mn钢缺口拉伸试样延性断裂的预测研究表明：当缺口根半径R≤2mm时，GTN模型对缺口拉伸时的最大载荷Pm、起裂载荷Pi、断裂载荷Pf和断裂功E的预测值与实验值较为接近。而当R>2mm后，预测值与实验值的偏差变大。其原因在于GTN模型是基于微孔洞长大和聚合的延性断裂机理而建立，对于根半径较小，促使孔洞长大的三向应力度较高的缺口试样较为适用。GTN模型预测的三

2、个特征载荷，尤其是表征韧性的断裂功E的值总体上高于实验测定值，并且其预测的延性起裂位置在R≥lmm时也与实验观察不一致。其原因是GTN模型未考虑实际材料组织中初始的夹杂物／孔洞的尺寸、形态、分却和方位对损伤演化和断裂过程的影响。对缺口Ij{『仞始大尺寸夹杂／孔洞分布对延性裂纹扩展的影响的研究表明：当同等大小的孔洞呈周期性均匀分布时，高三向应力区决定了延性裂纹起裂位置，裂纹扩展路径比较平直，裂纹扩展阻力低，材料韧性低。当同等大小的孔洞呈随机分布时，高三向应力区和孔洞间距共同决定了延性起裂位置，裂纹呈“之”字路径扩展，与实验观察吻合，裂纹起裂和扩展韧性较高

3、；当不同大小的孔洞呈随机分布时，损伤孔洞尺寸、三向应力度和等效塑性应变eP的大小共同决定了延性裂纹的起裂，分立的大尺寸孔洞诱导了裂纹扩展路径，与实验观察非常相近，裂纹起裂和扩展韧性最高。从提高材料韧性的角度看，在材料制备和加工中应尽可能降低大夹杂物／孔洞的尺寸，减少大尺寸夹杂物的数量；在空fHJ上，应尽可能使夹杂物随机均匀分布。对热轧钢中的长条形初始损伤孔洞承受不同方向最大正应力时的后续损伤演化和断裂过程的细观有限元力学分析研究表明：热轧钢中的长条形夹杂物与基体剥离后形成的长条形孑L洞在后续加载中，其周围产生的局部高应力应变集中及其相互作用，使孔洞长大

4、。孔洞长大行为存在明显的个体差异，个别大孔洞的快速长大和聚合，对材料破坏起主导作用。当长条形孔洞承受不同方向的最大正应力加载时，孔洞周围产生的局部应力应变分布及其相互作用不同，孔洞长大速率及其聚合时的临界外加主应变不同，相应的材料延性起裂韧性不同。当最大正应力与孔洞长条平行时，韧性最高；垂直时，韧性最低。仞始损伤量和分布及基体材料性质对孔洞后续长大与聚合影响的FEM力学分析研究表明：当初始夹杂物／孑L洞面积分数小，尺寸越小时，孔洞越不容易形核；当夹杂物尺寸较小时，随后形成的孔洞也相应较小，孔洞越小，孔洞之间的韧带越大，同时孔洞损伤演化越均匀，材料的韧性

5、越高。为了使材料韧性不降低，在材料的制备和加工中应产生尽可能少的初始损伤。当夹杂物呈均匀分布时，孔洞不容易形核；呈团簇分布时，孔洞容易形核。当初始孔洞均匀分布时，孔洞长大可以分为两个阶段：所有孔洞均匀长大阶段和不平衡长大阶段，其对应的材料延性起裂韧性较高：但是当初始孔洞呈团簇分布时，团簇内的个别孔洞主导了材料的破坏，其对应的材料延性起裂韧性较低。在夹杂物处形成的大尺寸孔洞主导了损伤的演化过程(形核、长大和聚合)；但是钢中存在的碳化物对材料韧性也存在一定的影响，当碳化物的尺寸变小后，材料韧性提高。当改变基体材料性质以后，胞元中的等效塑性应变eP和最大正应

6、力011的分布规律不变。但基体的加工硬化行为越明显，材料越容易孔洞形核。材料越软时，大孔洞的长大和聚合越快，材料的韧性下降。关键词：损伤；延性断裂；韧性；缺口试样；夹杂物；孔洞ⅡAbstractlnthispaper’theeffectofinitialdamageonductiledamageevolutionandfractureinmetalmaterialsisinvestigatedbyfiniteelementmethod(FEM)calculationandacomparisonwithexperiment．Theductilefract

7、ureintensilespecimenswithvariousnotchrootradiusesforaC-MnsteelhasbeenpredictedbyusingGTN(Gurson，Tvergaard，Needleman)damagemodel．Theresultsshowthat，inthecaseofnotchradiusR=2mm，thepredictionvaluesofthemaximum10adPm、fractureinitiationloadPl、fractureloadPfandfractureworkEareclosetot

8、heexperimentalvalues．ButinthecaseofR>2mm，thedif