韧性断裂机理及转变的控制因素.pdfVIP

‘402‘ 《工程力学》 增刊2001年 韧性断裂机理及其转变的控制因素 王芳文 左宏· 赵锴 李彬 L0025) (二炮工器学院基础部．西安7 (+戚孚囊团公司．无铝21403I) 提要 本文通过一系列不同的实验．对控制复杂应力状态下韧性断裂机理及其转变的主 要宏观参数——材料特征、应力状态、试样形状、尺寸和试验温度等进行了分折比较，对其 一 影响的内在机理进行了讨论．结累表明：材料的应变硬化指数是影响复杂应力状态下韧性断 裂形式及机理转变的主饕因素．其它因素诸姻温度、试样韧带尺寸的影响以及使材科发生韧 脆转变的一系列因素都是不应忽略的：但这些影响皆可归结为对材料应变硬化指教的影响． 比较不同情况下材料应变硬化指数的太小．可以获得断裂机理的转变规律． 关键词 复台型断裂断裂机理韧脆转变应变硬化指数 1 引言 太蛩研究表明，在有剪应力存在的条件下，韧性断裂中裂尖损伤及启裂扩展的微观机 理较为复杂．可能表现为由拉应力控制的正断【。捌，剪应力控制的剪断【L4]，也可能介于两 者之间。在相同的应力状态下，不同材料损伤及破坏的机理可能不同。同一种材料在不同 的环境下．也可能表现出不同的损伤及破坏特征。在有剪应力存在时．力学工作者只局限 于考虑裂尖前沿应力场变化引起的备力学参量的变化规律．往往忽略了材$}特征的影墒． 而材料科学r作者一般仅针对不同的材料特征、处理方法及环境条件进行研究，这种研究 是针对各特定材料的。是分散的。因此，在复杂应力状态下材料的损伤与断裂的研究中， 材料科学与力学的有机结合，综台考虑对韧性断裂的微观机理的各影响因素，是建立正确 的、适用范围广的韧-陆断裂理论的基础。 2几种典型的韧性断裂的微观机理 2．1张开型分离 在最大拉应力或噩大三轴戍力控制的材料区域中，由空洞的形核、已形核的空’丽的充 分扩张、聚合而导致的材料分离。其断口形貌与韧性材料拉伸断裂后断口上的纤维区特征 一致。微观特征为大小较为均匀的充分扩张的等轴韧窝。这种材料分离的形式常见于韧性 材料的启裂和以拉应力为主的裂纹扩展阶段。在扩展阶段．断口的微观特征表现为裂尖前 沿材料中大量空洞的形核、扩张及与裂尖逐次聚台的过科a 2．2滑开型分离 在复杂应力状态下．由于剪切分鬣的存在，导致裂尖前沿材料承受强烈的剪切应力作 HJ，材料中空洞的形核、扩张及聚合的过程推迟，材料的断裂韧性提高，宏观断口上，则 一 !三堡垄兰!望型!塑!堡 ：塑!。： 表现为纤维状特征减少，较为光滑，断口的微观特征反映出材料中韧窝扩张不很充分，韧 窝的大小及分布趋于不规则，在韧窝之间可观察到大量的由于剪切带内的局部剪切形成的 蜂窝状的微孔洞·这种形式的断裂可能出现于趋于脆性断裂的启裂阶段。在以剪切分量为 主的应力环境下，裂纹的扩展可能依这种形式。 2．3快速剪切分离 对于应变硬化率较低的材料，在剪切分量为主的应力环境下，裂纹的扩展也可能是沿 最大剪应力方向快速剪切断裂。这种断口的显微特征表现为大量的大小均匀的小韧窝。相 匹配的～对断121上韧窝的倾斜方向相反。断13宏观特征呈较平整的光亮面。材料分离是由 于裂尖前沿韧带材料在断裂前发生整体屈服，最后的断口是沿剪切带内的整体快速剪开。 3影响断裂机理变化的主要因素 3．1材料本质特性的影响 材料本质特性是控制复杂应力状态下裂纹启裂及扩展机理的一个主要因素。作者选取 材料LYl2，制成淬火、自然时效和退火两种材料的紧凑拉剪试样，进行复杂应力状态F 断裂试验。两种材料机械性能见表1。试验表明：淬火、自然时效材料在从张开型应力场 到剪切型应力场的不同的载荷形式下，裂纹的启裂．扩展均呈张开型分离