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)計算及和實驗結果的對比，對一種低合金高強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行了分析研究。得到的主要創(chuàng)新性結論如下： (1)Mode Ⅰ/Ⅱ混合加載下，缺口前鈍化側的孔洞在外加載荷P/Pgy<0.2時沒有長大；0.2

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

2、積分數fa隨P/Pgy的增加源于鈍化側孔洞的長大。鈍化側較高的三向應力度<'σ<,m>/σ>和等效塑性應變εp是其孔洞長大的主要力學原因。 (2)純Mode Ⅰ加載時，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復合加載時，隨Mode Ⅱ比例的增加，鈍化側的孔洞長大速率總體上減慢；銳化側孔洞由略有長大，到基本不變，再到尺寸減

3、小而發(fā)生轉變。因而導致總體的損傷發(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復合加載時，缺口前端的三向應力度<'σ<,m>/σ>，和等效塑性應變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)當外加載荷P/Pgy<0.8時，不同初始損傷量的三個試樣的孔洞面積分數fa隨P/Pgy基本不變；0.8

1.0后，三個試樣的孔洞面積分數fa都隨P/Pgy迅速增加，且初始損傷孔洞越大，孔洞面積分數fa增長越快，即損傷演化速率加快?？锥疵娣e分數fa的變化主要源于鈍化側孔洞的長大。在銳化側，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)，鈍化側孔洞周圍的局部三向應力和塑性應變εp的值增大，孔洞間的相互作用加強，使較高載荷P/Pgy時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損傷模型可以準確地模擬預測Mode Ⅰ/Ⅱ混合加載下具有較高Mode Ⅰ比例的試樣發(fā)生于鈍化側的微孔型延性起裂的位置和裂紋擴展方向。而不能預測Mode Ⅱ比例很高時，發(fā)生于銳化側的剪切型開裂。用GT

6、N模型模擬預測的延性起裂韌性P<'i>和E要高于實驗測定值。其主要原因是GTN模型用微孔體積分數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理而建立的，在三向應力度<'σ<,m>/σ>較高時，這一機理的主導作用加強，其對損傷斷裂預測的準確性提高，因此在純Mode Ⅰ加載時預測值與實驗吻合程度最好。

7、隨Mode Ⅱ比例的增加，裂紋擴展阻力曲線升高，裂紋擴展韌性增加。 (5)當初始損傷孔洞在缺口前呈周期性均勻分布時，裂紋沿徑向的一列孔洞直線擴展，裂紋擴展速度快，擴展阻力低。當孔洞呈錯開的非周期性均勻分布時，裂紋沿徑向呈“之”字形擴展，相距較近的孔洞誘導了裂紋擴展路徑。當大小相同的孔洞呈隨機混亂分布時，位于鈍化側高<'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，導致在缺口前一定距離處延性起裂。隨后裂紋擴

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，使裂紋呈不規(guī)則曲線擴展，與實驗觀察吻合。當大小不同的孔洞呈隨機混亂分布時，其裂紋起裂和擴展形貌與大小相同的孔洞呈隨機混亂分布時相似，只是大尺寸的孔洞長大快，在誘導裂紋擴展路徑中起主導作用，與實驗觀察十分吻合。當橢圓形孔洞呈隨機分布時，孔洞位向對裂紋擴展路徑有重要影響。當孔洞的長軸與缺口切向垂直時，孔洞長軸兩端產生高的應力，應變和損傷集中，使孔洞的長大，聚合加快，并誘導裂