考慮破壞過程離散性的延性失效分析

考慮破壞過程離散性的延性失效分析

眾所周知，塑性變形過程會導致局部位錯密度的增加，從而促進亞裂紋的產生和間斷擴展，進而產生宏觀裂紋[1-3]。塑性基體中裂紋的微跳與胞體達到最小臨界尺寸以及在擴展裂紋前胞體結構的次邊界的極限變形有關[3]。

延性破壞可被認為是由于材料的塑性耗盡，并在亞微觀不連續性頂點處達到臨界應力強度系數的結果。因此，在宏觀裂紋發展之前，延性和脆性破壞發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力等于或低于材料的屈服強度，即斷裂發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生在流動應力大于強化材料的流動應力下。

1. 材料和研究方法

研究使用的是工業純鐵，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. ψ（1）, ds/dn（2）, σrm/σZm（3）, σZm（4）, Sf（5）、σi（6）和σb（7）與變形速率的關系

試驗使用直徑為6 mm、標距長度為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。變形溫度范圍為-196 ℃～+250 ℃。

試驗后，確定了與破壞力矩對應的以下機械性能：相對折減率r破壞應力Sf=Pf/Ff（其中Pf是破壞荷載，Ff是破壞橫截面面積）；應力強度σi；最大軸向σZm，頸部最小橫截面處的徑向σrm'和切向σtm拉伸應力；以及伸長樣品頸部最小橫截面處的比率σrm/σzm。此外還測定了骨折的微觀和宏觀參數：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直徑d d。

在最大分辨率為150?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。結果，Quantimet電傳打字機記錄了給定尺寸的凹坑數量、凹坑總數、它們的平均尺寸以及凹坑所占的總面積。

為了確定應力水平、變形程度以及應力的軸向、徑向和切向分量的分布，使用了Bridgman[4]、Davidenkov[5]和Malinin[6]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. 研究結果及其分析

關于變形速率對與破壞過程有關的力學和斷口特征影響的研究表明，在所研究的速率范圍內，破壞是延性的，并且在破壞時刻的相對收縮率ψ、杯底直徑與直徑的比值頸部ds/dn和最小主拉應力與最大σrm/σzm的比值保持不變（圖1）。應指出的是，應力σzm'、Sf、σi和σb隨著變形率的增加而增加。人們最感興趣的是比較ds/dn和σrm/σzm與變形率的關系。這些值的恒定性可能不是偶然的，而是反映了破壞規則與試樣破壞時頸部最小橫截面處應力狀態之間的關系。

在[4, 5]中，已經證明在頸部的形成過程中，在其最小橫截面處出現了靜水拉伸應力，該應力水平在樣品軸線上達到最大值。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，與應力的徑向分量損失有關[8]。

對溫度對機械性能和斷口參數影響的分析表明，根據應力狀態，在頸部區域觀察到至少三個溫度區域，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）、相對收縮率r（3）、σrm/σzm（4）、σZm（5）、Sf（6）、σi（7）、An（8）、ds/dn（9）、dn（10），ds（11）和dd（12）*溫度

如mierofractography分析所示，第一個區域在-100至+150 ℃范圍內，對應于純延性破壞（斷裂的凹坑結構），其特征是樣品最小橫截面中心的應力狀態幾乎不變（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）。第二個區域位于-150 ℃到-100 ℃的溫度范圍內，從-100 ℃開始，溫度越低，應力的靜水壓分量所占份額就越小，換句話說，就是最小主應力與最大主應力之比（曲線4，圖2）。同時，試樣上斷裂平坦部分的份額增加（曲線9），斷裂處出現脆性成分（剪切面）。當溫度為-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域周圍的淺色邊緣（曲線9-12）。對應于韌脆轉變的第三個區域出現在-150 ℃及更低的溫度下。該區域的特點是相對收縮率ψ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（曲線2）、杯底直徑與頸部直徑之比、最大軸向應力（曲線5）以及均勻變形功與失效功之比（曲線1）之間的關系出現尖銳斷裂，（圖2）對應于-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。當裂紋接近表面時，應力狀態發生變化（徑向應力分量消失），這種情況類似于一側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°角到達試樣表面。

Williams[10]研究了垂直于拉伸軸的靜止裂紋底部的彈性應力分布，并指出能量密度（儲存在單位體積材料中的彈性能量）的最大值出現在與裂紋平面成70°角的區域。這證實了在錐體中延性裂紋擴展方向改變之前發生的臨界條件的存在。

我們獲得的數據可以將純鐵在韌脆轉變溫度范圍和過渡區發生的破壞過程與拉伸試樣頸部最小橫截面上應力狀態的變化聯系起來?？梢哉f，隨著變形溫度速率條件的變化，已經發現了金屬和合金延性破壞區域存在的跡象。韌性破壞區域的特征是頸部應力狀態下相對收縮率ψ的恒定性以及斷口特征。

聲學研究[3,11]的數據表明，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。

失效時聲發射的研究結果[3, 11]、用掃描電子顯微鏡對斷裂進行的斷口研究以及在Quantimet-720計算機上進行的定量分析使我們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先發展不連續性。文獻[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。Vladimirov[13]假設位錯在銳裂紋尖端的圓整和它們向空洞的轉變中起著重要作用。此外，孔洞可能是由于夾雜物的開裂而出現的，也可能是由于其物理和力學特性的不同而出現在夾雜物基體邊界處。此外，不連續之間材料的延展性耗盡，并且，正如已經確定的[14]，形成了臨界尺寸（鐵為0.6-1μ）的胞體結構。應該指出的是，不連續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. 凹坑數量與凹坑尺寸的關系直方圖

荷載的急劇下降對應于不連續性和宏觀裂紋在變形最嚴重、位錯最大的區域快速擴展

離子密度-細胞結構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的凹坑數量達到1 μ的最大值來確認（圖3）。大于1μ的點蝕主要是由夾雜物引起的，0.5-1-μ的點蝕是亞晶間破壞的結果。然后是壓力狀態的變化。靜水拉伸分量的消失會導致maerocrack的傳播方向發生變化，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力的作用面上傳播，但不連續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，杯底的直徑對應于穩定裂紋向快速、不穩定擴展過渡的臨界長度。

3. 結論

所進行的實驗使我們能夠找到純鐵延性破壞區域的邊界，在該區域中，相對還原率和應力狀態以及斷口特征（杯底直徑、頸部直徑、斷口凹坑特征）實際上與外部因素無關。

對頸部形成的延性破壞進行復雜分析（使用掃描電子斷口分析、聲發射研究和其他方法），可以得出延性破壞的結論在宏觀上和微觀上都有一個離散的特征。在宏觀尺度上在達到臨界長度時，宏觀經濟增長加速到杯底的直徑。在微尺度上，離散性會導致散在傳播沿細胞位錯亞結構邊界的亞裂紋。

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