文献整理(断裂准则)

题目:韧性断裂准则与阀值选取的理论及试验研究

作者:蒲思洪，温彤，吴维，侯模辉

关键词：ductile fracture criterion(韧性断裂准则)

文章重点摘抄：

现在用于描述材料韧性断裂行为的准则大都采用阀值(即临界值)控制的方法，即材料某处的破坏值超出阀值就认为该处材料发生起裂。由于金属的断裂与材料的性质(组成元素、微观组织、夹杂、表面条件及均匀性)、变形历史和工艺参数(温度、变形速度、摩擦与润滑)等因素有关，所以针对具体的冲切断裂过程，模拟时如何选择合理的韧性断裂准则与断裂阀值从而预测起裂的时间和位置并非易事。

韧性断裂理论与断裂准则：

现有韧性断裂理论认为塑性材料的断裂大多是由其内部空穴

的聚集和扩展引起的，这些空穴是由材料中的位错堆积、第二相粒子、缩松缩口、夹杂或其它缺陷产生的。金属材料在外力作用下产生塑性变形，其内部的空穴在应变和三轴应力的作用下增长、扩大，直至一定数量的空穴聚集在一起形成裂纹。在外力的继续作用下大量空穴裂纹会不断聚集在一起造成裂纹的扩展延伸，当其扩展到材料的表面时，材料就产生断裂。

在1950年Freudenthal首先以综合能量观点提出以等效应力与

等效塑性应变的积分函数定义破坏的发生时机，认为当单位体积

之应变能量(即塑性变形功)达到阀值时，材料就产生宏观裂纹。该模型没有考虑静水应力及拉伸主应力的影响。

0f

C d εσε=⎰ 式中：f ε为材料断裂时的等效塑性应变；σ为等效应力；dε为等效应变增量；C 为材料的临界破坏值。

Cockcroft&Latham 则认为断裂主要与拉伸主应力有关，即对于给定的材料，在一定的温度和应变速率下，当最大拉应力-应变能达到材料的临界破坏值时材料产生断裂。

*

0f

C d εσεσ=⎰ 式中：σ*为材料断裂时的最大拉应力；σ1为材料断裂时最大主应力。当σ1≥0 时，σ*=σ1；当σ1＜0 时，σ*=0。

McClintock 将空穴看成是变形体的内部缺陷，忽略空穴之间的交互作用，研究了轴对称下圆和椭圆形空穴的简单长大和聚合， 提出了以下断裂准则：

)1313012sinh 2f

n C d εσσσσεσσ⎡⎤⎫-+-⎪=+⎥⎨⎬⎥⎪⎪⎩⎭⎦

⎰ 式中：σ3为材料断裂时的最小主应力；n 为材料的硬化系数。 Ayada 则认为静水应力和等效应变是影响空穴扩张的主要因素，提出了以下准则：

0f

m C d εσεσ=⎰

式中：σm 为静水应力，σ为等效应力。

Rice&Tracey 讨论了含孤立球形空穴材料在三向应力作用下的韧性断裂过程，并将该断裂过程的力学行为和几何特征在断裂准则中加以描述，因而该准则不但可以预测裂纹的萌生，还可以预测裂纹的扩展方向，但它也忽略空穴间的交互作用。

0m f C e d ασεσε=⎰

式中：α为材料试验参数，视不同加载情况取值。

Brozzo 在Cockcroft&Latham 准则的基础上考虑了静水应力对断裂的影响，提出以下准则：

()10123f

m C d εσεσσ=-⎰

Oyane 在1972年提出了描述可压缩材料的韧性断裂判断准则，根据这个模型的假设，空洞是在承受大变形的夹杂或受第二相粒子影响而产生，并互相连接形成微观裂纹。

f

01m C a d εσεσ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰

于忠奇在Lemaitre 损伤理论基础上推导出一个韧性断裂准则

f 0p m C d εσεεσ=⎰

式中，p 为材料常数。

Atkins 修改Norris 判据，考虑了应变比21d L d εε=

的影响得出 f

010.51m

L C d εεσ+=+⎰ Le Roy 通过研究拉伸加载状态下的空穴长大和损伤的积累提出的韧性断裂准则：

()f

10m C d εσσε=-⎰

以上断裂准则大都基于能量理论，以应力、应变为基本参数，采用阀值控制的方式，即材料的累积损伤达到阀值时即认为材料产生断裂。但是没有将断裂成形过程中另外两个重要因素-温度和应变速率考虑进去， 所以它们属于半经验半理论公式。

题目：金属成形中韧性断裂准则的细观损伤力学研究进展

作者：黄建科, 董湘怀

文章重点摘抄：

通过比较不同的断裂准则可以发现,很多断裂准则都可以归结为经过修正的应力沿着某一应变路径积分的形式。这也与材料损伤是由应力与应变状态两者共同决定的现象相吻合。在低应力三轴度下,损伤主要表现为大变形引起的塑性滑移。在高应力三轴度时,材料沿剪切带的滑移与孔洞演化同时存在,互相促进,两种分离方式都有可能发生,这主要取决于应力应变状态与材料特性。当前,仍然有很多学者针对特定的塑性加工工艺,利用不同断裂准则的预测结果与实验结果相对比,分析和总结不同断裂准则的优缺点,试图找到一个适用性更广的断裂准则来说明细观损伤对于韧性断裂的影响。

Venugopal等对10种体积成形问题工程分析中常用的断裂准则进行了比较,对它们的准确性和敏感性(即对不同变形方式计算误差的离散度)进行了评价,他们的结果表明,其中没有一种准则是足够准确和普遍适用的。

题目：韧性材料的几种断裂形式及判据讨论

作者：汤安民，朱文艺，卢智先

摘要：韧性材料的主要断裂形式有三类,以空穴成核、扩张、聚合为主导机制的正拉断,和以局部剪切带形成、发展为主导机制的两种不同类型的剪切断裂。

文章重点摘抄：

韧断的主要影响因素

应力三维度值高,则偏于受拉状态,材料易于正拉断;应力三维度值低,则偏于受剪状态,材料易于剪断。

断裂判据的讨论

目前解决材料断裂问题的一些常用理论,不论是传统的材料断裂强度条件,还是后发展的断裂力学准则,尚存在一些需要完善之处。存在的问题有,如断裂判据的建立缺乏物理机制为依据,常使用一种理论、一个判据表达式解决不同类型的断裂问题,对复杂应力场中断裂控制参数及断裂危险点的确定尚无统一的认识,一些复合型断裂试验结果也不能用现有理论给出合理的解释。

对断裂机制以空穴的成核、扩张、聚合为主导的正拉断问题,危险点在裂端应力三维度有最大值处,启裂方向为该处最大拉应力作用面方向,该拉应力是引起材料断裂的主要因素,其他两个主应力为次要影响因素,当危险点上主应力的组合达到临界值时,启裂发生。