初始损伤对不同金属材料组织延性起裂韧性的影响及机理

摘要

本文通过对两种钢热处理后得到的三种材料组织的缺口试样在常温下进行不同预载荷的四点正反弯曲实验，引入了不同的初始损伤量，并消除了缺口根半径的影响，而后通过高温回火处理消除了残余应力和加工硬化，分离出了损伤因素。随后在室温下进行四点弯曲加载和不同载荷的卸载实验。通过力学参数测量，微观观察和有限元计算与细观模拟就初始损伤对不同钢组织延性起裂韧性的影响规律和机理进行了研究。得到了以下主要结果： (1)对于A材料(16Mn细晶)，当预加载荷比Po/Pgy小于0.861时，随着Po/Pgy的增加，表征材料延性起裂韧性的Pi/Pgy缓慢的下降；当Po/Pgy大于0.861时，随着Po/Pgy的增加，Pi/Pgy开始很快的下降。对于B材料(CF粗晶)和C材料(16Mn粗晶)，当预加载荷Po/Pgy小于0.861时，随着Po/Pgy的增加，表征材料延性起裂韧性的Pi/Pgy基本不发生变化，当Po/Pgy大于0.861时，随着Po/Pgy的增加，Pi/Pgy迅速的下降。三种材料的比较表明：在整个预加载荷范围内，B材料的延性起裂韧性最高，A材料最低。 (2)当Po/Pgy＜0.861时，初始损伤孔洞面积分数f0(损伤量)随Po/Pgy的增加而略有增加，其增加速率很慢。而当Po/Pgy＞0.861后，损伤量fO随Po/Pgy的增加而迅速增加。在相同的预加载荷比Po/Pgy下，材料A中的损伤量明显高于材料C，即细晶粒材料A易于产生损伤，对预载荷下的损伤比较敏感。材料B的损伤量最低。 (3)材料中较大的初始损伤使其延性起裂韧性降低，并且初始损伤的量越大，延性起裂韧性降低的程度越大。在相同的载荷比Po/Pgy下，初始损伤量大的材料延性起裂韧性低。材料韧性随初始损伤量的增加而降低的原因是：由于材料在预加载过程中引入了微孔洞初始损伤。在随后加载时，在孔洞之间及周围产生的局部高应力—应变集中促使了初始孔洞以较大速率长大，并促使二次孔洞的形核和长大及与一次大孔洞之间的过早聚合，从而使延性起裂韧性降低。 (4)缺口前少量大尺寸孔洞的快速长大和聚合往往导致了延性起裂，即大尺寸夹杂物/孔洞主导了延性开裂。而现有的Gurson模型中只用微孔体积分数fv作为损伤变量来描述损伤孔洞对材料性能的影响，未考虑孔洞尺寸、形态和分布的影响，是不准确的，需要修正或提出更精确的模型。 (5)材料B与C的基体晶粒尺寸相近，但C材料的夹杂物含量较高，尺寸也较大，在预加载中长条形的MnS与基体剥离形成较大的初始条状缺陷，使其后续加载中的延性起裂韧性降低。因此，在材料的设计和制备中要尽可能地减少夹杂物的数量和尺寸，尤其是减小大尺寸条状夹杂物的数量和尺寸，并且要避免大变形加工。 (6)材料A与C，成分和夹杂物相同，基体晶粒尺寸不同。由于细晶粒材料A的初始损伤缺陷的量和尺寸大于粗晶粒材料C，因此细晶粒材料A的延性起裂韧性Pi/Pgy低于粗晶粒材料C。细晶粒材料对初始损伤敏感，在加工变形过程中容易产生损伤，使其后续延性起裂韧性下降。因此，细晶粒材料在加工过程中要注意初始损伤对后续性能的影响。 (7)细晶粒材料A易于产生初始损伤的原因是：晶粒细的材料A的屈服强度高，在施加相同的预加载荷Po/Pgy时，传递到夹杂物与基体界面的应力高，容易使夹杂物与基体界面剥离使微孔形核。 (8)通过初始损伤孔洞在后续加载中的演化行为的细观有限元力学模拟计算，对微孔洞初始损伤对钢的延性起裂韧性影响的机理进行了研究。计算结果表明：初始大尺寸孔洞长大速度比较快，并且在这些孔洞之间存在变形局部化，容易诱发二次小孔洞的形核和长大，从而使一次初始大孔洞连接，使材料延性起裂。大尺寸初始损伤孔洞主导了材料的延性起裂。随初始损伤量的增加，大尺寸孔洞的数量和尺寸增加，使孔洞聚合(延性起裂)时的应变降低，这就是随着预载荷比Po/Pgy的增加，材料的延性起裂韧性Pi/Pgy降低的细观力学原因。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

第2章 实验和计算方法

第3章 实验与计算结果

第4章 讨论

结论

参考文献

致谢

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