铁素体球墨铸铁拉伸损伤力学特性的研究.pdfVIP

2005中国铸造活动周论文集 铁素体球墨铸铁拉伸损伤力学特性的研究 刘金海1，曾大本2，李国禄1，郝晓燕1，刘雷1，边泊乾1，徐献义-，代学蕊- (1．河北工业大学材料学院，天津300132；2．清华大学机械工程系，北京100084) ●·●■-·_●‘ l 刖罱 研究材料的破坏寿命时发现，构件的寿命中相当大的部分处在微缺陷的产生与发展阶段。微缺陷的 产生与发展是导致构件断裂的初始阶段，但它对材料造成损害的严重程度不亚于宏观裂纹。因而仅仅运 用宏观断裂力学来研究材料的破坏问题是不够的，有必要对宏观裂纹出现以前，微缺陷的产生和发展进 行研究。 损伤力学从金属物理学、材料强度学、连续介质力学等统一起来的观点，研究含有大量孔隙的材料的 性质，描述孔隙的大小、分布、形状及孔隙的形核、长大和聚合对材料力学性质的影响[1】。这样，它将建立 起宏观介质力学和材料的微观结构之间的联系。同时，将材料的损伤定量化，这为工程技术和结构分析提 供比以往理论准确得多的理论依据。 本文利用测量电阻的方法，研究了铁素体球墨铸铁单向拉伸过程中损伤变化的规律。 2 损伤力学及损伤变量的基本概念【2】2 损伤力学是国际力学界近十几年才建立起来的一门新的力学科学。它与断裂力学、疲劳分析理论全 部都属于破坏力学，是研究物质不可逆的破坏过程的科学。从狭义上讲，可以认为损伤力学是用宏观理论 解决的微观断裂力学，也就是利用宏观理论，分析与解决在宏观裂纹出现以前微观缺陷、微裂纹、微空洞 的发生与发展过程的科学。换句话说，损伤力学研究的是原始材料或构件存在的微观缺陷发展到宏观裂 纹的一段过程；而断裂力学处理的是由宏观裂纹直到断裂的下一段破坏过程。 材料的损伤是一个相当复杂的固体物理过程，想从微观上或从根本上分析这种问题是十分困难的。 虽然损伤形式很多，也很复杂，但它们都有一个共同的特点，这就是需要耗散能量的不可逆过程。损伤力 学是以不可逆过程热力学理论为基础来处理它们。它把包含了各种缺陷的材料统看作一种含有“微损伤 Variable)来描述损伤状态。在满足力学和 场”的连续体，引进了在物体内部连续变化的损伤变量(Damage 热力学基本原理的条件下，确定材料的物性方程和损伤演变规律。 在损伤力学研究中，损伤变量是描述材料内部破坏状态的重要参量，如何定义损伤变量和测量它是 非常重要的，通常损伤变量被定义为： D=1一会 (1) 式中，D一损伤变量，A一材料无损状态下的截面积，A一材料受损状态下的有效截面积。当A=A时， 坏时的损伤变量值称为临界损伤变量，以Dc表示。 根据损伤变量的基本定义，可以得出由其它宏观物理量描述的损伤变量，下式为利用测量材料不同 状态电阻值来定义的损伤变量【3】： D=]～-一--斋～ (2) 式中，R为材料没有发生损伤的电阻值；R；为材料发生损伤后的电阻值。 101 2005中国铸造活动周论文集 3 试验方法 炉料采用邯郸Q12生铁、球铁回炉料和25嬷钢。炉料配比为70％生铁，25％回炉料，5％废钢；原铁 采用球化衰退的方法，获得不同球化率的球墨铸铁试样。铁水球化和孕育处理完后，立即扒渣，浇铸 u型试块，同时浇铸三角试片和化学成分试样，然后，将球化处理的铁水立即倒人电炉中保温，每隔3分 钟取样一次，直到球化铁水转变成普通灰口铸铁为止。试样化学成分如表1所示。 拉伸试验机采用AG25TA电子万能实验机。试验采用加载一卸载的方式。首先，对每一根试样施以大 min，之后，再卸载至零，如此反复进行，直到试样被拉断。在每次卸载后，给试样通以5A的直流电流，测 量电位端的电压(如图l所示)；由计算机给出试样的塑性应变值和应力值；同时利用千分表测量试样的 直径，在下次加载前，将试样的直径输入到计算机中，供计算机计算下一次加载后的应力。这样，对于每一 种球墨铸铁试样，就可得到一系列的不同加载后的应力、应变和电位变化值。由电位值计算出电阻值，利 用公式(1)计算出不同应力和应变下的损伤变量。 衰1 试样化学成分 图1电阻测量示意图 4 试验结果及分析 4．