初始損傷對(duì)不同金屬材料組織延性起裂韌性的影響及機(jī)理.pdf

1、本文通過(guò)對(duì)兩種鋼熱處理后得到的三種材料組織的缺口試樣在常溫下進(jìn)行不同預(yù)載荷的四點(diǎn)正反彎曲實(shí)驗(yàn)，引入了不同的初始損傷量，并消除了缺口根半徑的影響，而后通過(guò)高溫回火處理消除了殘余應(yīng)力和加工硬化，分離出了損傷因素。隨后在室溫下進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載和不同載荷的卸載實(shí)驗(yàn)。通過(guò)力學(xué)參數(shù)測(cè)量，微觀觀察和有限元計(jì)算與細(xì)觀模擬就初始損傷對(duì)不同鋼組織延性起裂韌性的影響規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行了研究。得到了以下主要結(jié)果： (1)對(duì)于A材料(16Mn細(xì)晶)，當(dāng)預(yù)加載

2、荷比Po/Pgy小于0.861時(shí)，隨著Po/Pgy的增加，表征材料延性起裂韌性的Pi/Pgy緩慢的下降；當(dāng)Po/Pgy大于0.861時(shí)，隨著Po/Pgy的增加，Pi/Pgy開(kāi)始很快的下降。對(duì)于B材料(CF粗晶)和C材料(16Mn粗晶)，當(dāng)預(yù)加載荷Po/Pgy小于0.861時(shí)，隨著Po/Pgy的增加，表征材料延性起裂韌性的Pi/Pgy基本不發(fā)生變化，當(dāng)Po/Pgy大于0.861時(shí)，隨著Po/Pgy的增加，Pi/Pgy迅速的下降。三種材料的

3、比較表明：在整個(gè)預(yù)加載荷范圍內(nèi)，B材料的延性起裂韌性最高，A材料最低。 (2)當(dāng)Po/Pgy＜0.861時(shí)，初始損傷孔洞面積分?jǐn)?shù)f0(損傷量)隨Po/Pgy的增加而略有增加，其增加速率很慢。而當(dāng)Po/Pgy＞0.861后，損傷量fO隨Po/Pgy的增加而迅速增加。在相同的預(yù)加載荷比Po/Pgy下，材料A中的損傷量明顯高于材料C，即細(xì)晶粒材料A易于產(chǎn)生損傷，對(duì)預(yù)載荷下的損傷比較敏感。材料B的損傷量最低。 (3)材料中較大的

4、初始損傷使其延性起裂韌性降低，并且初始損傷的量越大，延性起裂韌性降低的程度越大。在相同的載荷比Po/Pgy下，初始損傷量大的材料延性起裂韌性低。材料韌性隨初始損傷量的增加而降低的原因是：由于材料在預(yù)加載過(guò)程中引入了微孔洞初始損傷。在隨后加載時(shí)，在孔洞之間及周圍產(chǎn)生的局部高應(yīng)力—應(yīng)變集中促使了初始孔洞以較大速率長(zhǎng)大，并促使二次孔洞的形核和長(zhǎng)大及與一次大孔洞之間的過(guò)早聚合，從而使延性起裂韌性降低。 (4)缺口前少量大尺寸孔洞的快速長(zhǎng)

5、大和聚合往往導(dǎo)致了延性起裂，即大尺寸夾雜物/孔洞主導(dǎo)了延性開(kāi)裂。而現(xiàn)有的Gurson模型中只用微孔體積分?jǐn)?shù)fv作為損傷變量來(lái)描述損傷孔洞對(duì)材料性能的影響，未考慮孔洞尺寸、形態(tài)和分布的影響，是不準(zhǔn)確的，需要修正或提出更精確的模型。 (5)材料B與C的基體晶粒尺寸相近，但C材料的夾雜物含量較高，尺寸也較大，在預(yù)加載中長(zhǎng)條形的MnS與基體剝離形成較大的初始條狀缺陷，使其后續(xù)加載中的延性起裂韌性降低。因此，在材料的設(shè)計(jì)和制備中要盡可能地

6、減少夾雜物的數(shù)量和尺寸，尤其是減小大尺寸條狀?yuàn)A雜物的數(shù)量和尺寸，并且要避免大變形加工。 (6)材料A與C，成分和夾雜物相同，基體晶粒尺寸不同。由于細(xì)晶粒材料A的初始損傷缺陷的量和尺寸大于粗晶粒材料C，因此細(xì)晶粒材料A的延性起裂韌性Pi/Pgy低于粗晶粒材料C。細(xì)晶粒材料對(duì)初始損傷敏感，在加工變形過(guò)程中容易產(chǎn)生損傷，使其后續(xù)延性起裂韌性下降。因此，細(xì)晶粒材料在加工過(guò)程中要注意初始損傷對(duì)后續(xù)性能的影響。 (7)細(xì)晶粒材料A易

7、于產(chǎn)生初始損傷的原因是：晶粒細(xì)的材料A的屈服強(qiáng)度高，在施加相同的預(yù)加載荷Po/Pgy時(shí)，傳遞到夾雜物與基體界面的應(yīng)力高，容易使夾雜物與基體界面剝離使微孔形核。 (8)通過(guò)初始損傷孔洞在后續(xù)加載中的演化行為的細(xì)觀有限元力學(xué)模擬計(jì)算，對(duì)微孔洞初始損傷對(duì)鋼的延性起裂韌性影響的機(jī)理進(jìn)行了研究。計(jì)算結(jié)果表明：初始大尺寸孔洞長(zhǎng)大速度比較快，并且在這些孔洞之間存在變形局部化，容易誘發(fā)二次小孔洞的形核和長(zhǎng)大，從而使一次初始大孔洞連接，使材料延性