考慮破壞過程離散性的延性失效分析

1、.考慮破壞過程離散性的延性失效分析眾所周知，塑性變形過程會導(dǎo)致局部位錯密度的增加，從而促進(jìn)亞裂紋的產(chǎn)生和間斷擴展，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)性頂點處達(dá)到臨界應(yīng)力強度系數(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)生的擴展的尖銳裂紋頂點處的材料微體積中。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、低于材料的屈服強度，即斷裂發(fā)生時沒有裂紋尖端局部體積的變形強化。在斷裂時，在延性破壞的情況下，在杯底，宏觀破壞時裂紋的跳躍發(fā)生在流動應(yīng)力大于強化材料的流動應(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)系試驗使用直徑為6 mm、標(biāo)距長度為65 mm的樣品。他們在Instron機器上以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。試驗后，確定了與破壞力矩對應(yīng)的以下機械性能：相對折減率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；以及伸長樣品頸部最小橫截面處的比率rm/zm。此外還測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計算機上對圖像進(jìn)行了定量分析。為了獲得斷裂的定量特征，編制了一個按8組以上的尺寸分布的定量計算機程序。結(jié)果，Qu

4、antimet電傳打字機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)于變形速率對與破壞過程有關(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，并且在破壞時刻的相對收縮率、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源，以及從斷裂平面部分（杯底）到錐形破壞面的過渡，與應(yīng)力的徑向分量損失有關(guān)8。對溫度對機械性能和斷口參數(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）、殘余相對延伸率（2）、相對收縮

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，第一個區(qū)域在-100至+150X圍內(nèi)，對應(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，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，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，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）。對應(yīng)于韌脆轉(zhuǎn)變的第三個區(qū)域出現(xiàn)在-150及更低的溫度下。該區(qū)域的特點是相對收縮率急劇下降（曲線3，圖2）通過快速降低試樣在破壞時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）以及通過剪切向破壞的過渡，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。其特點是殘余相對伸長率（

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，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。這證實了在錐體中延性裂紋擴展方向改變之前發(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圍和過渡區(qū)發(fā)生的破壞過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。可以說，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展速率的增加和更為脆性的破壞。失效時聲發(fā)射的研究結(jié)果3, 11、用掃描電子顯微鏡對斷裂進(jìn)行的斷口研究以及在Quantimet-720計算機上進(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機制形成。Vladimirov13假設(shè)位錯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、載的急劇下降對應(yīng)于不連續(xù)性和宏觀裂紋在變形最嚴(yán)重、位錯最大的區(qū)域快速擴展離子密度-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在柱狀圖上出現(xiàn)的凹坑數(shù)量達(dá)到1的最大值來確認(rèn)（圖3）。大于1的點蝕主要是由夾雜物引起的，0.5-1-的點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）。然后，maerocrack通過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)單位裂紋長度擴展所需的能量保持不變。因此，杯底的直徑對應(yīng)于穩(wěn)定裂紋向快速、不穩(wěn)定擴展過渡的臨界長度。3. 結(jié)論所進(jìn)行的實驗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