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初始损伤对Mode I/II混合加载下材料断裂行为的影响

作　者: 刘中炜
导　师: 王国珍；陈剑虹
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料学
关键词: ModeI/II混合加载损伤断裂孔洞缺口应力-应变
分类号: TB115
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文主要通过有限元(FEM)计算及和实验结果的对比，对一种低合金高强钢中的初始损伤孔洞对ModeⅠ／Ⅱ混合加载下的后续损伤演化和断裂行为的影响进行了分析研究。得到的主要创新性结论如下：(1) ModeⅠ／Ⅱ混合加载下，缺口前钝化侧的孔洞在外加载荷P／Pgy＜0.2时没有长大；0.2＜P／Pgy＜0.8内缓慢长大；在P／Pgy＞0.8后快速长大，且长大速率随P／Pgy而增加。锐化侧的孔洞在整个加载范围内基本没有长大。整体孔洞面积分数fa随P／Pgy的增加源于钝化侧孔洞的长大。钝化侧较高的三向应力度σ_m／(?)和等效塑性应变εp是其孔洞长大的主要力学原因。(2)纯ModeⅠ加载时，缺口中心区的大部分孔洞在高σ_m／(?)，εp的作用下快速长大，导致最快的损伤发展速率和最低的延性起裂韧性，起裂位置在缺口中心，ModeⅠ／Ⅱ复合加载时，随ModeⅡ比例的增加，钝化侧的孔洞长大速率总体上减慢；锐化侧孔洞由略有长大，到基本不变，再到尺寸减小而发生转变。因而导致总体的损伤发展速率随ModeⅡ比例的增加而减小。钝化侧孔洞长大最快列的位置，随ModeⅡ比例的增加，由靠近缺口中心向远离缺口中心移动，由孔洞长大最快列所决定的延性起裂位置发生相应移动。上述孔洞长大和聚合行为及材料延性起裂位置和起裂韧性随ModeⅡ比例的变化源于ModeⅠ／Ⅱ复合加载时，缺口前端的三向应力度σ_m／(?)，和等效塑性应变εp的分布随ModeⅡ比例的变化。较高σ_m／(?)和εp处的孔洞长大速率快，聚合得早，决定了延性起裂位置和起裂韧性。(3)当外加载荷P／Pgy＜0.8时，不同初始损伤量的三个试样的孔洞面积分数fa随P／Pgy基本不变；0.8＜P／Pgy＜1.0时，缓慢长大；P／Pgy＞1.0后，三个试样的孔洞面积分数fa都随P／Pgy迅速增加，且初始损伤孔洞越大，孔洞面积分数fa增长越快，即损伤演化速率加快。孔洞面积分数fa的变化主要源于钝化侧孔洞的长大。在锐化侧，孔洞尺寸基本不变或略微减小。随初始孔洞尺寸增加(即初始损伤量增加)，钝化侧孔洞周围的局部三向应力和塑性应变εp的值增大，孔洞间的相互作用加强，使较高载荷P／Pgy时的孔洞长大速率增大，使孔洞与缺口之间的聚合发生得更早，材料的延性起裂韧性(Pi，E)降低。(4) GTN损伤模型可以准确地模拟预测ModeⅠ／Ⅱ混合加载下具有较高ModeⅠ比例的试样发生于钝化侧的微孔型延性起裂的位置和裂纹扩展方向。而不能预测ModeⅡ比例很高时，发生于锐化侧的剪切型开裂。用GTN模型模拟预测的延性起裂韧性P~i和E要高于实验测定值。其主要原因是GTN模型用微孔体积分数f~v这一损伤变量隐式地描述孔洞长大和聚合的损伤演化过程，而未考虑具体孔洞的尺寸，形态，分布和方位对损伤演化和断裂过程的影响。由于GTN模型是基于微孔洞的形核，长大和聚合的延性断裂机理而建立的，在三向应力度σ_m／(?)较高时，这一机理的主导作用加强，其对损伤断裂预测的准确性提高，因此在纯ModeⅠ加载时预测值与实验吻合程度最好。随ModeⅡ比例的增加，裂纹扩展阻力曲线升高，裂纹扩展韧性增加。(5)当初始损伤孔洞在缺口前呈周期性均匀分布时，裂纹沿径向的一列孔洞直线扩展，裂纹扩展速度快，扩展阻力低。当孔洞呈错开的非周期性均匀分布时，裂纹沿径向呈“之”字形扩展，相距较近的孔洞诱导了裂纹扩展路径。当大小相同的孔洞呈随机混乱分布时，位于钝化侧高σ_m／(?)和εp区的孔洞长大快，且相距较近的孔洞优先长大聚合，导致在缺口前一定距离处延性起裂。随后裂纹扩展沿高σ_m／(?)和εp的路径，并被距裂纹较近的孔洞所诱导，使裂纹呈不规则曲线扩展，与实验观察吻合。当大小不同的孔洞呈随机混乱分布时，其裂纹起裂和扩展形貌与大小相同的孔洞呈随机混乱分布时相似，只是大尺寸的孔洞长大快，在诱导裂纹扩展路径中起主导作用，与实验观察十分吻合。当椭圆形孔洞呈随机分布时，孔洞位向对裂纹扩展路径有重要影响。当孔洞的长轴与缺口切向垂直时，孔洞长轴两端产生高的应力，应变和损伤集中，使孔洞的长大，聚合加快，并诱导裂纹沿这些孔洞扩展。这些分析结果表明：为了提高材料的延性断裂韧性，在材料的设计，制备和加工中，应尽可能使夹杂／孔洞的尺寸减小，并使其尽可能呈球形，在空间上呈随机均匀分布。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-12
第一章绪论  12-23
  1.1.工程背景及本课题研究意义  12-13
  1.2.国内外研究现状及存在的问题  13-22
    1.2.1 材料延性损伤断裂机理和模型的研究现状  13-14
    1.2.2.初始损伤对材料后续损伤演化与断裂行为的影响  14-16
    1.2.3 Mode Ⅰ/Ⅱ混合加载下材料断裂行为的研究进展  16-22
    1.2.4 上述研究中存在的问题  22
  1.3 本课题研究内容  22-23
第二章 Mode Ⅰ/Ⅱ混合加载下缺口前初始孔洞的长大行为  23-32
  2.1 有限元(FEM)模型  23-25
  2.2 结果与讨论  25-31
  2.3 结论  31-32
第三章 Mode Ⅰ/Ⅱ混合比对初始损伤孔洞  32-49
  3.1 有限元分析模型的建立  32
  3.2 结果与讨论  32-48
  3.3 小结  48-49
第四章 Mode Ⅰ/Ⅱ混合加载下缺口前初始损伤量对后续孔洞长大和聚合的影响  49-60
  4.1 有限元分析模型的建立  49-50
  4.2 结果与讨论  50-60
第五章 GTN损伤模型对Mode Ⅰ/Ⅱ混合加载下延性断裂的预测  60-92
  5.1 引言  60-61
  5.2 实验方法  61
  5.3 有限元分析模型的建立  61-63
  5.4 实验与计算结果  63-79
    5.4.1 模拟和实验的载荷位移曲线  63-66
    5.4.2 不同Mode Ⅰ/Ⅱ混合比下的损伤演化和断裂过程的模拟结果  66-75
    5.4.3 不同Mode Ⅰ/Ⅱ混合比下的损伤断裂过程的实验观察结果  75-79
  5.5 讨论  79-90
    5.5.1 GTN损伤模型对Mode Ⅰ/Ⅱ混合加载试样延性起裂位置和裂纹扩展方向的预测  80-81
    5.5.2 GTN损伤模型对Mode Ⅰ/Ⅱ混合加载试样韧性的预测  81-84
    5.5.3 Mode Ⅰ/Ⅱ混合加载时的延性损伤和断裂的力学分析  84-90
  5.6 总结  90-92
第六章缺口前初始夹杂/孔洞分布对Mode Ⅰ/Ⅱ混合加载下延性裂纹扩展的影响  92-111
  6.1 有限元计算模型  92-94
  6.2 孔洞分布对延性裂纹扩展形貌的影响  94-109
  6.3 不同孔洞分布时的裂纹扩展阻力曲线  109-110
  6.4 总结  110-111
结论  111-114
参考文献  114-119
致谢  119-120
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  120

初始损伤对Mode I/II混合加载下材料断裂行为的影响

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