夹杂物对金属材料成形及断裂影响的研究进展

夹杂物对金属材料成形及断裂影响的研究进展
发布时间：2022-03-19T14:17:03.431Z 来源：《中国教师》2022年4月作者：李新军
[导读] 金属材料中夹杂物的存在破坏了材料的连续性和均匀性，易引发局部应力集中，导致微裂纹的产生。

而揭示夹杂物大小、形状、性能、体积分数及不同变形条件下夹杂物与基体间的连续性对材料韧性断裂的影响规律是研发高性能合金结构材料长期以来面对的挑战。

综述了金属材料中夹杂物对材料性能的影响。

概述了多尺度数值模拟夹杂物致裂的研究进展，并对夹杂物研究的发展趋势进行了展望，探讨了多尺度数值模拟用于夹杂物研究存在的问题。

李新军皖西经济技术学校安徽六安 237400
【摘要】金属材料中夹杂物的存在破坏了材料的连续性和均匀性，易引发局部应力集中，导致微裂纹的产生。

而揭示夹杂物大小、形状、性能、体积分数及不同变形条件下夹杂物与基体间的连续性对材料韧性断裂的影响规律是研发高性能合金结构材料长期以来面对的挑战。

综述了金属材料中夹杂物对材料性能的影响。

概述了多尺度数值模拟夹杂物致裂的研究进展，并对夹杂物研究的发展趋势进行了展望，探讨了多尺度数值模拟用于夹杂物研究存在的问题。

【关键词】夹杂物；韧性断裂；多尺度；数值模拟；致裂
中图分类号：G688.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN1672-2051（2022）4-099-01
引言
金属材料中夹杂物的存在破坏了材料的连续性和均匀性，易引发局部应力集中，导致微裂纹的产生对材料性能有着显著的影响。

金属材料中夹杂物按来源和成分可分为外来夹杂物和内生夹杂物。

外来夹杂物主要是熔体和外界之间偶然化学和机械作用的产物，这类夹杂物较大，随机分布，对材料性能的影响较大，但可通过转炉工艺、精炼工艺和连铸工艺，减少甚至避免这类夹杂物的产生。

内生夹杂物是脱氧产物或是金属液在凝固过程中的析出物，这类夹杂物分布比较均匀、分散，颗粒尺寸较小，在冶炼及净化过程中难以全部去除。

1夹杂物对金属材料成形及断裂的影响
20世纪50年代以来，夹杂物问题一直受到国内外学者的广泛关注。

夹杂物的形状、大小、性能、夹杂物间距及体积分数等因素决定着材料机械性能、热性能和裂纹的萌生。

KOMORI K针对铁素体-珠光体钢在拉拔过程中的开裂，基于夹杂物-基体分离的前提条件提出了一个夹杂物开裂的空洞模型，通过比较仿真和实验结果，验证了空洞模型的有效性。

BOUCHARD P O等通过宏观多轴拉伸和微观实验，讨论了冷成形过程中不同级别的韧性钢在多轴载荷作用下的断裂行为，研究揭示了夹杂物形状和方向对空洞形核和长大有显著影响。

当夹杂物垂直于载荷方向时，形核率增加较大；当夹杂物平行于载荷方向时，空洞易在夹杂物周围处萌生、长大；刘新灵等研究了不同夹杂物尺寸在同一位置下对应力应变分布的影响，结果表明夹杂物尺寸越大，越易在夹杂/基体界面处产生损伤；当夹杂物界面上含有微孔洞时，基体最大正应力和最大塑性应变均随着夹杂物尺寸增大而明显增大。

李茂仁等针对不同热处理工艺下得到的42CrMoVNb细晶高强钢进行了旋转弯曲疲劳实验，并对不同深度的夹杂物临界尺寸进行了估算，结果表明导致裂纹萌生的夹杂物临界尺寸与钢的强度及夹杂物所处的位置有关。

郭鹏杰等通过对镁合金进行不同温度和时间下的固溶时效处理，研究了第二相体积分数对AZ80镁合金性能的影响，结果表明，AZ80镁合金的第二相体积分数与伸长率的对数值之间存在线性关系。

SUWA Y等研究了夹杂物体积分数对DP钢局部塑性的影响，结果表明，夹杂物对局部塑性的影响受到马氏体的体积分数及铁素体和马氏体间硬度差异的影响。

在金属成形过程中，夹杂物对韧性断裂的影响机制是复杂的。

夹杂物大小、形状、性能、体积分数及不同变形条件下夹杂物与基体间的连续性对材料的韧性断裂具有重要影响。

2金属夹杂物对材料性能及断裂的影响在数值模拟中的应用
随着CAE技术和计算机技术的发展，已有多种大型商业有限元软件可供使用，如ANSYS、DE-FORM、MARC和ABAQUS等，数值模拟技术与实验研究相结合成为材料成形中断裂缺陷预测的重要手段和可靠方法，这些大型软件的推出使夹杂物变形机制的研究更加方便高效。

夹杂物的存在破坏了材料的连续性和均匀性，改变了夹杂物周围基体材料的应力状态和应力分布，进而引发局部应力集中，为微裂纹的萌生提供了条件，因而对金属材料中的夹杂物进行研究很有必要。

苏杰等通过建立3种含随机颗粒偏聚带的二维体胞有限元模型，模拟了颗粒偏聚带中微裂纹的萌生及扩展过程，发现对于单个颗粒而言，颗粒两极附近基体材料的损伤最严重，损伤在基体附近累积并逐渐发展为微裂纹。

刘光众通过对弹塑性材料中裂纹与细观初始缺陷相互影响的研究，发展了弹塑性扩展有限元法，改进了多尺度扩展有限元法，并通过ANSYS模拟验证了试验数据的可靠性。

邓清峰采用ABAQUS有限元软件建立了单向拉伸模型，在高温下研究了MnS夹杂物在GTN损伤模型中的断裂行为，确定了GTN损伤模型所需的参数并为物理模拟试验提供了数据支持。

由此可见，诸多学者在大型商品化软件计算功能的支持下，模拟分析了夹杂物对材料变形的影响，并且与实验研究结果相吻合，有助于揭示夹杂物对材料变形的影响。

但单一尺度的数值模拟有其固有的局限性：(1)其精度无法满足实际应用的需要；(2)忽略了微观尺度上的力学性能；(3)有些单一尺度量级的模型是半经验的，仅通过单一尺度的数值模拟不足以准确预测材料成形中断裂缺陷的发生。

3结语
随着有限元和计算机技术的发展，数值模拟技术与实验研究相结合的手段成为研究夹杂致裂的重要手段和可靠方法。

将来多尺度有限元法还有大量工作有待深入研究与探索，包括自身理论体系完整性及系统性的改善、精度的进一步提高以及探索发展相应于复杂体系的多
尺度模型算法。

参考文献
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