Mode III混合比对初始损伤长大和聚合影响.docVIP

Mode III混合比对初始损伤长大和聚合的影响 　　摘要：纯Mode I加载时,缺口中心区的大部分孔洞在高，εp的作用下快速长大，导致最快的损伤发展速率和最低的延性起裂韧性，起裂位置在缺口中心。Mode I/II复合加载时，随Mode II比例的增加，钝化侧的孔洞长大速率总体上减慢；锐化侧孔洞由略有长大，到基本不变，再到尺寸减小而发生转变。因而导致总体的损伤发展速率随Mode II比例的增加而减小。钝化侧孔洞长大最快列的位置, 随Mode II比例的增加,由靠近缺口中心向远离缺口中心移动，由孔洞长大最快列所决定的延性起裂位置发生相应移动。上述孔洞长大和聚合行为及材料延性起裂位置和起裂韧性随Mode II比例的变化源于Mode I/II复合加载时，缺口前端的三向应力度，和等效塑性应变εp的分布随Mode II比例的变化。较高和εp处的孔洞长大速率快，聚合得早，决定了延性起裂位置和起裂韧性。 　　关键词： 初始损伤 延性起裂 解理断裂 韧性 缺口试样 　　 　　1引言 　　 材料在制备、加工(塑性成形、焊接和铸造等)过程中通常会引入各种初始冶金缺陷, 如微裂纹、微孔洞和夹杂物等, 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、电和磁等)受载(拉、压、弯曲和疲劳等)使用过程中，这些初始冶金缺陷会扩展,合并, 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。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(如蠕变,疲劳)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,合并和相互作用, 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,强度,塑性和刚度等产生很大影响, 进而对材料和结构的安全服役性及剩余寿命产生很大影响。因此需要就损伤对材料力学性能的影响及机理进行深入的??究。但这方面的工作相对较少, 近年来有限的几项代表性工作主要包括: (1) 塑性损伤对复合材料弹性模量,强度,流动应力,拉伸延性和断裂韧性的影响[1-3] 。现已发现较大塑性应变时增强粒子的断裂或从基体的剥离造成的损伤降低了复合材料的弹性模量,强度,流动应力和拉伸延性。但这些损伤也降低了裂纹前端的应力水平, 有增加复合材料断裂韧性的作用。(2) 疲劳损伤对钢和复合材料断裂韧性的影响 [4,5] 。 研究表明: 随着疲劳峰值应力和疲劳循环次数的增加,材料的断裂韧性降低, 对于不同热处理状态及不同微观组织的材料降低的程度不同。(3) 焊接加工中产生的初始蠕变损伤对CrMoV钢焊接热影响区冲击韧性的影响[6]。结果表明: 蠕变损伤较低时(蠕变孔洞低于15%), 对韧性基本没有影响; 蠕变孔洞损伤较高时,钢的韧性降低。 　　 关于钢的解理断裂行为已进行了许多研究[7-9], 然而关于微孔洞初始损伤对钢的解理断裂行为的影响还很少有研究报道。笔者首次对初始损伤对一种低合金钢缺口试样解理断裂韧性的影响进行了初步研究 [10]，这里笔者进一步对初始损伤对两种钢通过热处理后获得的不同组织的缺口试样解理断裂韧性的影响进行研究。 　　 Mode I/II混合加载下，Mode I和 Mode II相对比例的变化会影响到缺口前三向应力度和等效塑性应变εp的分布。第二章的分析表明：三向应力度和等效塑性应变εp是促使孔洞长大的主要力学参量。和越高处的孔洞长大速率越快，从而影响缺口前的延性起裂和裂纹的扩展路径，最终决定了材料的延性断裂韧性。因此Mode I/II混合比对缺口前微孔洞的长大和聚合行为会产生影响，进而对缺口前材料的延性断裂韧性产生影响。本章对这一影响的规律和机理进行研究。 　　2.1有限元分析模型的建立 　　 非对称四点弯曲试样[11]加载的力学模型图1所示。通过改变缺口偏心距So，可以改变Mode I/II混合加载的比例。随着So的减小，Mode II载荷的比例增加。试样So值，Mode I/II混合加载比例（K/K）及等效裂纹角的值如表1所示。其中试样1为纯Mode I的对称加载。试样5（So=0mm）为纯Mode II剪切加载。五个试样缺口前端引入的圆形初始损伤孔洞的大小，数量都相同。即试样缺口前端引入3排10列，直径尺寸为d=4m的圆形初始损伤孔洞，其分布如图2所示，缺口前孔洞分布的特征编号如图3所示。 　　 　　 　　2.2结果与讨论 　　 用载荷比P/Pgy 表征外加载荷的