考慮破壞過(guò)程離散性的延性失效分析

1、.考慮破壞過(guò)程離散性的延性失效分析眾所周知，塑性變形過(guò)程會(huì)導(dǎo)致局部位錯(cuò)密度的增加，從而促進(jìn)亞裂紋的產(chǎn)生和間斷擴(kuò)展，進(jìn)而產(chǎn)生宏觀裂紋1-3。塑性基體中裂紋的微跳與胞體達(dá)到最小臨界尺寸以及在擴(kuò)展裂紋前胞體結(jié)構(gòu)的次邊界的極限變形有關(guān)3。延性破壞可被認(rèn)為是由于材料的塑性耗盡，并在亞微觀不連續(xù)性頂點(diǎn)處達(dá)到臨界應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)的結(jié)果。因此，在宏觀裂紋發(fā)展之前，延性和脆性破壞發(fā)展的共同特征是延性損失。在第一種情況下，它是在與頸部最小橫截面相鄰的宏觀體積中，在第二種情況下，是在早期產(chǎn)生的擴(kuò)展的尖銳裂紋頂點(diǎn)處的材料微體積中。在這兩種情況下，破壞行為自然伴隨著韌性變形能量的迅速釋放。平面變形條件下的斷裂破壞應(yīng)力等于或

2、低于材料的屈服強(qiáng)度，即斷裂發(fā)生時(shí)沒有裂紋尖端局部體積的變形強(qiáng)化。在斷裂時(shí)，在延性破壞的情況下，在杯底，宏觀破壞時(shí)裂紋的跳躍發(fā)生在流動(dòng)應(yīng)力大于強(qiáng)化材料的流動(dòng)應(yīng)力下。1. 材料和研究方法研究使用的是工業(yè)純鐵，碳含量為0.04%，氮含量為0.006%，氧含量為0.008%。樣品在真空中900退火2h。圖1. （1）, ds/dn（2）, rm/Zm（3）, Zm（4）, Sf（5）、i（6）和b（7）與變形速率的關(guān)系試驗(yàn)使用直徑為6 mm、標(biāo)距長(zhǎng)度為65 mm的樣品。他們?cè)贗nstron機(jī)器上以1.4·10-5到1.4·10-1sec-1的變形速率受到拉伸直到失效。變形溫度X圍為

3、-196+250。試驗(yàn)后，確定了與破壞力矩對(duì)應(yīng)的以下機(jī)械性能：相對(duì)折減率r破壞應(yīng)力Sf=Pf/Ff（其中Pf是破壞荷載，F(xiàn)f是破壞橫截面面積）；應(yīng)力強(qiáng)度i；最大軸向Zm，頸部最小橫截面處的徑向rm'和切向tm拉伸應(yīng)力；以及伸長(zhǎng)樣品頸部最小橫截面處的比率rm/zm。此外還測(cè)定了骨折的微觀和宏觀參數(shù)：錐形杯形骨折平坦部分的直徑ds；頸部dn的直徑；以及骨折平坦部分的暗區(qū)直徑dd。在最大分辨率為150Å的JSM-U3掃描電子顯微鏡下觀察破壞面。在Quantimet-720計(jì)算機(jī)上對(duì)圖像進(jìn)行了定量分析。為了獲得斷裂的定量特征，編制了一個(gè)按8組以上的尺寸分布的定量計(jì)算機(jī)程序。結(jié)果，Qu

4、antimet電傳打字機(jī)記錄了給定尺寸的凹坑數(shù)量、凹坑總數(shù)、它們的平均尺寸以及凹坑所占的總面積。為了確定應(yīng)力水平、變形程度以及應(yīng)力的軸向、徑向和切向分量的分布，使用了Bridgman4、Davidenkov5和Malinin6提出的方程。頸部的幾何形狀是在一個(gè)特殊裝置的幫助下研究的7。2. 研究結(jié)果及其分析關(guān)于變形速率對(duì)與破壞過(guò)程有關(guān)的力學(xué)和斷口特征影響的研究表明，在所研究的速率X圍內(nèi)，破壞是延性的，并且在破壞時(shí)刻的相對(duì)收縮率、杯底直徑與直徑的比值頸部ds/dn和最小主拉應(yīng)力與最大rm/zm的比值保持不變（圖1）。應(yīng)指出的是，應(yīng)力zm'、Sf、i和b隨著變形率的增加而增加。人們最感興趣

5、的是比較ds/dn和rm/zm與變形率的關(guān)系。這些值的恒定性可能不是偶然的，而是反映了破壞規(guī)則與試樣破壞時(shí)頸部最小橫截面處應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系。在4, 5中，已經(jīng)證明在頸部的形成過(guò)程中，在其最小橫截面處出現(xiàn)了靜水拉伸應(yīng)力，該應(yīng)力水平在樣品軸線上達(dá)到最大值。靜水壓分量的存在解釋了頸部中心處的失效來(lái)源，以及從斷裂平面部分（杯底）到錐形破壞面的過(guò)渡，與應(yīng)力的徑向分量損失有關(guān)8。對(duì)溫度對(duì)機(jī)械性能和斷口參數(shù)影響的分析表明，根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，在頸部區(qū)域觀察到至少三個(gè)溫度區(qū)域，具有明確的微觀和宏觀斷口跡象，反映了從“韌性破壞”到“脆性破壞”的轉(zhuǎn)變。圖2. 均勻變形功比與失效功（1）、殘余相對(duì)延伸率（2）、相對(duì)收縮

6、率r（3）、rm/zm（4）、Zm（5）、Sf（6）、i（7）、An（8）、ds/dn（9）、dn（10），ds（11）和dd（12）*溫度如mierofractography分析所示，第一個(gè)區(qū)域在-100至+150X圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于純延性破壞（斷裂的凹坑結(jié)構(gòu)），其特征是樣品最小橫截面中心的應(yīng)力狀態(tài)幾乎不變（曲線4，圖2），相對(duì)收縮率（曲線3）、杯底直徑（曲線11）、斷口平坦區(qū)直徑（杯底）與頸部直徑之比（曲線9），以及塑性變形功與破壞功之比的恒定性（曲線1，圖2）。第二個(gè)區(qū)域位于-150到-100的溫度X圍內(nèi)，從-100開始，溫度越低，應(yīng)力的靜水壓分量所占份額就越小，換句話說(shuō)，就是最小主應(yīng)力與最大

7、主應(yīng)力之比（曲線4，圖2）。同時(shí)，試樣上斷裂平坦部分的份額增加（曲線9），斷裂處出現(xiàn)脆性成分（剪切面）。當(dāng)溫度為-150時(shí)，斷裂的圓錐形部分完全消失，剪切面集中在黑暗中心區(qū)域周圍的淺色邊緣（曲線9-12）。對(duì)應(yīng)于韌脆轉(zhuǎn)變的第三個(gè)區(qū)域出現(xiàn)在-150及更低的溫度下。該區(qū)域的特點(diǎn)是相對(duì)收縮率急劇下降（曲線3，圖2）通過(guò)快速降低試樣在破壞時(shí)的最小橫截面上的靜水拉伸應(yīng)力份額（曲線4），以及斷裂中心暗部直徑的下降（曲線12）以及通過(guò)剪切向破壞的過(guò)渡，形成頸部（曲線8）。值得注意的是，在-196溫度下，應(yīng)力（r i、aZm和Sf（曲線5-6）差別不大，為100-110 kg/mm2。其特點(diǎn)是殘余相對(duì)伸長(zhǎng)率（

8、曲線2）、杯底直徑與頸部直徑之比、最大軸向應(yīng)力（曲線5）以及均勻變形功與失效功之比（曲線1）之間的關(guān)系出現(xiàn)尖銳斷裂，（圖2）對(duì)應(yīng)于-100和-150的溫度。*曲線12似乎被俄羅斯原出版商省略了。如前所述，失效通常從試樣的中心開始，并沿與力施加方向大致垂直的方向傳播到表面。當(dāng)裂紋接近表面時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化（徑向應(yīng)力分量消失），這種情況類似于一側(cè)帶有缺口的板的拉伸情況9。然后裂紋開始以30°角擴(kuò)展，并以45°角到達(dá)試樣表面。Williams10研究了垂直于拉伸軸的靜止裂紋底部的彈性應(yīng)力分布，并指出能量密度（儲(chǔ)存在單位體積材料中的彈性能量）的最大值出現(xiàn)在與裂紋平面成70

9、6;角的區(qū)域。這證實(shí)了在錐體中延性裂紋擴(kuò)展方向改變之前發(fā)生的臨界條件的存在。我們獲得的數(shù)據(jù)可以將純鐵在韌脆轉(zhuǎn)變溫度X圍和過(guò)渡區(qū)發(fā)生的破壞過(guò)程與拉伸試樣頸部最小橫截面上應(yīng)力狀態(tài)的變化聯(lián)系起來(lái)。可以說(shuō)，隨著變形溫度速率條件的變化，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了金屬和合金延性破壞區(qū)域存在的跡象。韌性破壞區(qū)域的特征是頸部應(yīng)力狀態(tài)下相對(duì)收縮率的恒定性以及斷口特征。聲學(xué)研究3,11的數(shù)據(jù)表明，宏觀破壞始于荷載-伸長(zhǎng)曲線上的荷載急劇下降，錐形破壞面的形成伴隨著宏觀裂紋擴(kuò)展速率的增加和更為脆性的破壞。失效時(shí)聲發(fā)射的研究結(jié)果3, 11、用掃描電子顯微鏡對(duì)斷裂進(jìn)行的斷口研究以及在Quantimet-720計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的定量分析使我們

10、有可能提出純鐵延性破壞的以下機(jī)理。在樣品頸的最小橫截面上，以孔隙和亞裂紋的形式優(yōu)先發(fā)展不連續(xù)性。文獻(xiàn)12表明，即使在變形的初始階段，亞裂紋也開始按照位錯(cuò)機(jī)制形成。Vladimirov13假設(shè)位錯(cuò)在銳裂紋尖端的圓整和它們向空洞的轉(zhuǎn)變中起著重要作用。此外，孔洞可能是由于夾雜物的開裂而出現(xiàn)的，也可能是由于其物理和力學(xué)特性的不同而出現(xiàn)在夾雜物基體邊界處。此外，不連續(xù)之間材料的延展性耗盡，并且，正如已經(jīng)確定的14，形成了臨界尺寸（鐵為0.6-1）的胞體結(jié)構(gòu)。應(yīng)該指出的是，不連續(xù)性所占的面積在頸部最小橫截面面積中是微不足道的一部分，甚至在破壞之前也是如此15,16。圖3. 凹坑數(shù)量與凹坑尺寸的關(guān)系直方圖荷

11、載的急劇下降對(duì)應(yīng)于不連續(xù)性和宏觀裂紋在變形最嚴(yán)重、位錯(cuò)最大的區(qū)域快速擴(kuò)展離子密度-細(xì)胞結(jié)構(gòu)在垂直于拉伸軸方向上的邊界。破壞的主要亞顆粒間特征通過(guò)在柱狀圖上出現(xiàn)的凹坑數(shù)量達(dá)到1的最大值來(lái)確認(rèn)（圖3）。大于1的點(diǎn)蝕主要是由夾雜物引起的，0.5-1-的點(diǎn)蝕是亞晶間破壞的結(jié)果。然后是壓力狀態(tài)的變化。靜水拉伸分量的消失會(huì)導(dǎo)致maerocrack的傳播方向發(fā)生變化，這反映在錐形破壞面上的凹坑（它們變長(zhǎng)）。然后，maerocrack通過(guò)剪切破裂在最大切向應(yīng)力的作用面上傳播，但不連續(xù)面之間連接件的破壞微觀特征保持不變-亞顆粒間破壞。平均凹坑尺寸幾乎完全不依賴于其在杯底的位置，這迫使我們假設(shè)單位裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展所需的能量保持不變。因此，杯底的直徑對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定裂紋向快速、不穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)渡的臨界長(zhǎng)度。3. 結(jié)論所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)使我們能夠找到純鐵延性破壞區(qū)域的邊界，在該區(qū)域中，相