中心圆孔薄板试样局部损伤破坏试验与数值分析

对含圆孔的16MnNb矩形薄板试样进行拉伸破坏试验,用扫描电镜分析了断口形貌和断口破坏方式;采用含孔洞材料本构模型,结合有限元数值方法对试样的细观孔洞演化过程和材料微观破坏过程进行了数值模拟分析。结果表明：材料中由于形成的微孔洞在圆孔周围最小横截面上和拉伸后形成的剪切带区域较大,所以微孔洞长大速度最快位置在圆孔周围局部颈缩区域,最后试样在该处起裂,并沿着最小横截面扩展,在裂纹前缘形成两条明显的剪切带,剪切带上试样发生颈缩。计算结果与试验结果相当吻合。     

切口试样破坏过程试验与细观数值分析

对切口圆棒试样与切口板试样进行单向拉伸试验和有限元数值分析，以试样最小横截面上各点变化的应力应变场为体胞演化的载荷控制条件，采用三维含球形微孔洞体胞模型分别对各点微孔洞长大规律进行数值模拟。结果表明，在试样得到的断口韧性区域内，微孔洞的生长速度较快；试样失稳前微孔洞相对体积百分数最大的区域与试验时试样的起裂位置一致，因而证实微孔洞的演化是导致试样材料在拉伸条件下破坏的主要原因，同时也证实体胞模型用于局部破坏分析的有效性。     

GTN损伤模型对C-Mn钢缺口拉伸试样延性断裂的预测

用GTN(Gurson, Tvergaard, Needleman)损伤模型对不同缺口根半径的C-Mn钢缺口圆棒拉伸试样的延性断裂进行有限元模拟预测.结果表明, 当缺口根半径R≤2 mm时,GTN模型对缺口拉伸时的最大载荷Pm、起裂载荷Pi、断裂载荷Pf和断裂功E的预测值与实验值较为接近.而当R＞2 mm后,预测值与实验值的偏差变大.其原因在于GTN模型是基于微孔洞长大和聚合的延性断裂机理而建立,对于根半径较小,促使孔洞长大的三向应力度较高的缺口试样较为适用.GTN模型预测的三个特征载荷,尤其是表征韧性的断裂功E的值总体上高于实验测定值,并且其预测的延性起裂位置在R≥1 mm时也与实验观察不一致.其原因是GTN模型未考虑实际材料组织中具体的夹杂物/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.     

单拉试样颈部应力状态及对材料细观损伤的影响

用实验及有限元方法,对细观多孔性球墨铸铁光棒试件拉伸破坏过程中颈缩截面应力状态变化规律进行分析和研究,获得该截面心部的应力状态参数T随应变的变化曲线.曲线分为T=0.33的定值阶段和T单调增长两个阶段,Tmax=0.68.对T取实验值与取常规定值情况下的材料损伤演化及材料软化进行比较,认为常规采用定值T=0.33低估了光棒试件的细观损伤破坏.单轴拉伸光棒试件中的孔洞损伤演化过程是由孔洞的形状改变为主要过程和断裂前短暂的孔洞体积的加速扩张阶段组成,这一结论与Gurson模型中孔洞长大描述符合很好.     

全层状TiAl基合金拉伸试验断裂过程及机理

通过对全层组织TiAl基合金不同缺口试样进行原位拉伸试验,结合数据分析以及断口形貌的观察,研究TiAl基合金拉伸的断裂过程和断裂机理.研究发现在原位拉伸试验中,对于直缺口试样,裂纹起裂于缺口根部,其断裂过程主要是主裂纹(沿层裂纹)首先起裂、扩展、连接,然后形成解理断裂起裂源.这一起裂源形成的同时,在刚好能满足Griffiths脆性解理断裂所需要的临界裂纹尺寸时,引起整个试件发生脆性解理断裂.裂纹首先起裂于层间,层间是薄弱环节,断裂方式是穿层断裂和沿层断裂的混合体,以穿层断裂为主.对于大圆弧和平板试样,这种材料的断裂过程是:首先在较高外加载荷下,在标距范围内比较薄弱的区域沿层开裂,随着外加载荷的进一步增加,这些微裂纹扩展,当微裂纹引起的应力集中和外加载荷共同作用足以引起微裂纹进一步贯穿的瞬间,即能量积累到一定程度时,试样整体发生解理断裂.很多试样的断裂是直接起裂的过程,一旦产生裂纹试样立即解理断裂,即这种材料的强度较高,材料很难产生裂纹,也不易损伤.     

基于GTN模型的20钢孔洞扩张比数值模拟

孔洞扩张比VG可以作为描述钢材损伤时微孔洞演化情况的细观损伤变量,GTN模型可用于金属塑性材料的细观损伤有限元模拟。应用GTN模型模拟20钢圆棒型缺口试件拉伸过程的不同阶段,得到细观损伤参量应力三轴度Rσ、等效塑性应变εp、孔洞体积百分数f及孔洞扩张比VG在试件中心截面的变化规律。结果表明:在整个拉伸过程中,上述参数的数值随着载荷的增加而增大,且εp对VG的影响较大。当试件断裂时,试件缺口截面中心位置的细观损伤参量值大于缺口根部的值,此时20钢的临界孔洞扩张比VGC为3.134。     

6063铝合金在不同应力状态下的变形及损伤行为

用平板拉伸、缺口拉伸、剪切试验结合断口形貌观察及有限元模拟等方法,对6063铝合金在三种不同应力状态下的变形及损伤行为进行了研究.结果表明:在不同应力状态下该合金的变形及损伤行为存在明显的差异,剪切时材料的断裂应变远大于平板和缺口拉伸时的,而缺口拉伸时材料的屈服强度及峰值应力大于平板拉伸时的;平板拉伸时试样为拉剪混合型断裂,断口由一定比例的韧窝和剪切平面组成;缺口拉伸时试样有明显的颈缩,断口以韧窝为主;剪切断口以剪切平面为主;损伤行为的有限元模拟结果与试验结果吻合较好.     

含缺陷铝合金厚板预拉伸断裂研究

由于材料中存在空洞等缺陷,铝合金厚板在预拉伸过程中易发生断裂,对拉伸设备造成损伤。基于GTN损伤本构方程,建立铝合金板预拉伸断裂模型。基于小试件拉伸断裂试验测试结合数值模拟,确定GTN损伤本构参数,对五种典型厚度铝合金板预拉伸断裂进行研究。计算铝合金板断裂过程中的应力应变及损伤变量的变化规律,并将表面位置和断裂截面位置处的各变量进行对比。结果表明,随着拉伸率的增大,铝合金板由平面应力状态变为应变集中,其部位由正中心位置向边缘偏移,空洞体积分数最大值也由正中心位置转移到应变集中处;随厚度增加断裂应变略有降低,且受初始空洞体积分数的影响较大。通过对不同厚度、不同拉伸率的铝合金板预拉伸分析,得到初始空洞体积分数和初始缺陷尺寸随厚度变化规律。     

6061铝合金断裂机理的原位拉伸研究

用SEM-520原位拉伸试验对不同应力状态下6061铝合金试件的断裂过程进行研究.结果表明,不同应力状态下的铝合金试样在拉伸过程中其表面均产生了大量的滑移带,但断裂机理不同.随着三轴应力度的降低,断裂从韧窝聚合型混合剪切机制向纯剪切断裂机制过渡,试件断口也由韧窝断裂模式向剪切断裂模式演变;6061铝合金晶界处为最薄弱环节,微裂纹形核于晶界,随载荷的增加,微裂纹长大和扩展.微裂纹之间通过扩展或剪切而连接导致试样断裂;试样最小断面上的三轴应力度越小,试样断口的两个面上韧窝的取向就越明显,断口越光滑.     

基于微观孔洞型损伤的疲劳蠕变寿命预测方法

孔洞型损伤是延性金属材料一种常见的破坏形式.对于材料疲劳蠕变破坏过程,文中提出等效孔洞体积概念,从微观唯象角度出发,综合考虑疲劳蠕变对孔洞体积长大的影响,得到一种微孔洞型疲劳蠕变寿命预测模型.以此模型对1.25Cr0.5Mo钢540℃应力控制下疲劳蠕变寿命进行预测,结果显示该模型具有很好的适用性.     

Experimental verification of RV-MTS model for fracture in soda-lime glass weakened by a V-notch

Fracture phenomenon was experimentally investigated in a soda-lime glass weakened by a V-notch under tensile-shear loading. Fracture tests were conducted using a new test sample called the V-notched Brazilian disc (V-BD) specimen. The fracture resistance and fracture initiation angle were obtained initially from the test results. Afterward, a fracture model was utilized to estimate the experimental results. Very good correlation was found between the experimental and theoretical results both for the fracture resistance and the fracture initiation angle in notches having different notch angles and various notch tip radii. Experimental results revealed that for a constant notch tip radius, the failure load under pure tensile loading conditions decreases as the notch angle increases. For a constant notch angle, as the notch tip radius increases, the fracture load in the soda-lime glass V-BD specimens enhances in the whole domain from pure tensile to pure shear loading. Moreover, for a constant notch tip radius, the notch angle has almost no effect on the fracture initiation angle when the specimen is predominantly under tensile loading conditions.     

玻璃布-环氧层合板在不同温度下冲击拉伸断裂行为及破坏机理的研究

利用ＭＴＳ材料试验机,采用不同的应变速率,对玻璃布－环氧层板实施了冲击拉伸断裂实验,测试了该材料在不同温度、不同应变速率下的断裂韧性值。分析了玻璃布－环氧层板材料的破坏过程及内部损伤情况,讨论了复合材料的缺口敏感性在不同温度、不同加载速率下的变化情况。     

平纹编织C/SiC材料复杂应力状态的力学行为试验研究

利用Arcan夹具,实现对2D平纹编织C/SiC复合材料拉剪、压剪加载试验,研究材料在复杂应力状态下的力学行为,分析材料的损伤演化和失效模式。试验结果表明,材料在拉剪复杂应力状态下不同角度的应力—应变曲线呈现非线性关系;在压剪复杂应力下,随着加载角度增大,应力—应变曲线非线性程度增大。断口分析表明纯剪切形成平齐断口,受拉应力影响材料在拉剪复杂应力状态下形成斜断口。试验分析表明,适当的压应力能提高抗剪切破坏能力。偏移型椭圆失效判据与试验值吻合较好,该失效判据能较好地描述材料在复杂应力状态下的破坏行为,能较好反映材料的强度特征。     

30CrMnSiA钢板表面塑性损伤的细观机理研究

采用单向拉伸试样，研究了３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢板分别沿轧制、宽度两个方向拉伸时表面塑性损伤的发展规律。通过扫描电子显微镜观测表明，表面塑性损伤的细观机理是表面空穴形核、扩张和聚合的过程。随着塑性应变的增大，表面空穴的形核是按多级规律进行的，其总体平均意义下的面积百分数是单调增长的，且增长的速率逐渐加快。文中还提出一个表征板材抗表面损伤特性的材料参数。     

Observation of notch effect in Al6061-T6 specimens under tensile loading using digital image correlation and finite element method

The fracture of ductile materials such as Al6061-T6 usually starts from void nucleation. In this study, we investigated strengthening effect and stress triaxiality behavior in notched Al alloy specimens. Various specimens, one un-notched and two with different U-types of notch, one with large diameter (L-notched) and another with small diameter (S-notched), having the same width were selected. The distribution of strain in the full-field was examined using the digital image correlation (DIC) method. Under the tensile test, S-notched specimens showed a more pronounced strengthening effect than the L-notched specimens. The results of DIC confirmed that the notch tip of the S-notched specimen experienced high strain, while the L-notched specimen experienced high strain at the center. The maximum stress triaxiality moved rapidly from the notch tip to the center with the increase in notch radius over 10 mm. The results of the stress triaxiality analysis by finite element method were in good agreement with the above DIC measurement results and predicted the void generation and fracture sites in L-notched and S-notched specimens.     

延性材料损伤演化及材料软化的孔洞尺寸影响

应用有限元方法，对延性材料孔洞型细观损伤演化进行探讨。考察具有相同初始孔洞体积分数fo、不同相对尺寸孔洞长大和对材料软化的影响。三种体胞分别为简单立方体胞、体心立方体胞以及非均匀孔洞群状分布体胞。体胞基体为Mises等向强化材料。采用大变形有限元方法，简单加载，应力三维度保持定值。分析结果发现，孔洞群状分布体胞模型所代表小尺寸孔洞的长大速度较慢，且在高应力状态下具有较强的承载力和较低的裂纹敏感性。     

Novel specimen for the effective measurement of the fracture strain along with stress triaxiality and Lode parameter

A double notched central hole, i.e., DNC specimen, which contains a center hole with a left side notch and a right side notch accompanying the slope α, is proposed to simultaneously achieve dual values of stress triaxiality and Lode parameter from one specimen in the present study. Analytical and numerical approaches are carried out under decent assumptions to characterize the plane strain behavior of DNC specimen along with the slope α. Quasi-static tensile tests with conventional specimens and DNC specimens revealed plastic strains at fracture for each specimen case in accordance with stress triaxiality and Lode parameter by digital image correlation. It is found that one DNC specimen successfully provides dual values of stress triaxiality and Lode parameter at the same time; therefore, it saves up to 50 % of experimental time and labor of conventional specimens.