论文摘要
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。