初始損傷對不同金屬材料組織延性起裂韌性的影響及機理.pdf

1、本文通過對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行不同預載荷的四點正反彎曲實驗，引入了不同的初始損傷量，并消除了缺口根半徑的影響，而后通過高溫回火處理消除了殘余應力和加工硬化，分離出了損傷因素。隨后在室溫下進行四點彎曲加載和不同載荷的卸載實驗。通過力學參數測量，微觀觀察和有限元計算與細觀模擬就初始損傷對不同鋼組織延性起裂韌性的影響規(guī)律和機理進行了研究。得到了以下主要結果： (1)對于A材料(16Mn細晶)，當預加載

2、荷比Po/Pgy小于0.861時，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Po/Pgy大于0.861時，隨著Po/Pgy的增加，Pi/Pgy開始很快的下降。對于B材料(CF粗晶)和C材料(16Mn粗晶)，當預加載荷Po/Pgy小于0.861時，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Po/Pgy大于0.861時，隨著Po/Pgy的增加，Pi/Pgy迅速的下降。三種材料的

3、比較表明：在整個預加載荷范圍內，B材料的延性起裂韌性最高，A材料最低。 (2)當Po/Pgy＜0.861時，初始損傷孔洞面積分數f0(損傷量)隨Po/Pgy的增加而略有增加，其增加速率很慢。而當Po/Pgy＞0.861后，損傷量fO隨Po/Pgy的增加而迅速增加。在相同的預加載荷比Po/Pgy下，材料A中的損傷量明顯高于材料C，即細晶粒材料A易于產生損傷，對預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：由于材料在預加載過程中引入了微孔洞初始損傷。在隨后加載時，在孔洞之間及周圍產生的局部高應力—應變集中促使了初始孔洞以較大速率長大，并促使二次孔洞的形核和長大及與一次大孔洞之間的過早聚合，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

5、大和聚合往往導致了延性起裂，即大尺寸夾雜物/孔洞主導了延性開裂。而現(xiàn)有的Gurson模型中只用微孔體積分數fv作為損傷變量來描述損傷孔洞對材料性能的影響，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，在預加載中長條形的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，在材料的設計和制備中要盡可能地

6、減少夾雜物的數量和尺寸，尤其是減小大尺寸條狀夾雜物的數量和尺寸，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，因此細晶粒材料A的延性起裂韌性Pi/Pgy低于粗晶粒材料C。細晶粒材料對初始損傷敏感，在加工變形過程中容易產生損傷，使其后續(xù)延性起裂韌性下降。因此，細晶粒材料在加工過程中要注意初始損傷對后續(xù)性能的影響。 (7)細晶粒材料A易

7、于產生初始損傷的原因是：晶粒細的材料A的屈服強度高，在施加相同的預加載荷Po/Pgy時，傳遞到夾雜物與基體界面的應力高，容易使夾雜物與基體界面剝離使微孔形核。 (8)通過初始損傷孔洞在后續(xù)加載中的演化行為的細觀有限元力學模擬計算，對微孔洞初始損傷對鋼的延性起裂韌性影響的機理進行了研究。計算結果表明：初始大尺寸孔洞長大速度比較快，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大，從而使一次初始大孔洞連接，使材料延性