材料拉伸力学性能研究与探讨.docx
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材料拉伸力学性能研究与探讨
材料拉伸力学性能研究与探讨
目录内容:
1、弯曲角度对试样应变分布和裂纹起裂和扩展的影响;
2、压头直径对试样应变分布和裂纹起裂和扩展的影响;
3、材料拉伸力学性能(真应力-真应变关系),GTN损伤参数(材料延性断裂应变),对试样应变分布和裂纹起裂和扩展的影响。
开裂效果图
1、压头直径(标准5mm)一定, 研究弯曲角度对试样应变分布和裂纹起裂和扩展的影响;
应变分布取值:
两条路径(如图1、2所示)
图1路径1,沿试样中心平面下方的长度方向(起裂点在中间)
图2路径2,沿试样中心平面的厚度方向(起裂点在最下方)
在弯曲过程中试样上部分受压应力作用,下部分受拉应力作用,因此出现裂纹的位置必然是试样的下表面。
路径1取自试样下表面起裂点处的左右两侧,结果如图3所示。
图3随着角度的变化试样沿路径1的应变分布情况(是哪个方向的应变?
)这个是等效塑性应变PEEQ,没有方向。
考虑受拉部分的塑性应变,我重新取了PE11(X轴塑性分量),沿长度方向。
如图3b
图中每条曲线分别代表试样弯曲到一定角度时的应变分布情况。
可以看出在整个弯曲过程中路径中间位置的应变总是最大,远离中间位置区域的应变逐渐减小,这与理论事实相符合。
刚开始弯曲的时候,弯曲角度比较小,曲线较为平滑;随着弯曲角度的增大,整体的应变均增大,图中表现为曲线上移。
而在曲线中间以及两侧附近有着向上突起的尖角,这是由于这些区域应力应变较大,使得材料内部的孔洞形成、聚合和长大的速率也较大,进一步影响到这一区域应变的增大速率,因此应变曲线不再平滑(用不易起裂的材料算,看是否光滑?
)不易起裂的材料曲线较为光滑。
从图中我们还可以看出,在弯曲角度大于160°时的四条曲线基本重合,即应变值保持不变,这说明试样在弯曲到160°时已经起裂了(可能是宏观滑脱了!
)但实际上观察到的是在160°起裂,。
而且曲线最高点的位置也正是试样起裂的位置,起裂点的应变最大值即为试样的弯曲断裂应变(对延性好的不起裂材料,该应变最大值并非断裂应变,对你前面用不同GTN参数的计算,做上面的图3,即可找出不同材料的断裂应变)。
图3b随着角度的变化试样沿路径1各位置长度方向的应变分布情况
图3b中可以看出,在试样中间大约5mm的范围内(压头直径为5mm),各位置沿长度方向的塑性应变随着弯曲角度的增大而增大。
而在这一范围之外的两侧,应变规律恰好相反。
图4随着角度的变化试样沿路径2的应变分布情况(该应变是哪个方向的应变?
如果是垂直于路径2方向的应变,则可做出拉和压应变.)该应变也同样是PEEQ,垂直与路径2方向的应变应该是PE11,如图4b所示。
图4b随着角度的变化试样沿路径2各位置在厚度方向上的应变分布情况(图中负值表示压应变,正值表示拉应变)
同样地,图4中可以看出越靠近试样的上下表面,应变值就越大,这是试样上下表面分别受压、拉作用造成的(可做出拉和压应变)图4b中已经表示出。
试样的应变随着弯曲角度的增大而增大。
当弯曲到160°时,试样出现裂纹,起裂点(图中4mm位置,好象是0mm位置.我指的是起裂点的位置,0mm位置是上表面受压处,它的等效塑性应变值很高,比下表面4mm处的起裂点的应变还大)的应变值达到最大,并且不再随弯曲角度增大而变化,图中表现为160°之后的四条曲线在4mm处重合,局部放大图如图5所示。
图5随着角度的变化试样起裂点附近沿厚度方向的应变分布情况
由图5可以得出弯曲角度对裂纹扩展的影响:
在弯曲到160°时(也就是说弯到160度后,再弯好象意义不大,标准可否改为弯到160度)这个问题就是考虑到了在弯曲角度接近180°时实际试样会出现滑脱现象。
,试样开始出现裂纹。
随着弯曲角度的进一步增大,起裂点的应变保持最大值(断裂应变值)不变,而在下表面起裂点(图中4mm处)沿厚度向上的位置,也就是图中小于4mm位置处的应变则随着弯曲角度的增大不断增大,直到达到断裂应变值位置,这说明了裂纹随着弯曲角度增大沿着厚度方向进行扩展,图中显示的扩展量为0.2mm。
弯曲角度对于起裂点的应变的影响如图6所示。
图6弯曲角度对起裂点应变的影响(是什么材料?
该曲线与材料有关.)(对于316L真应力应变曲线,f0=0.008,fc=0.01,ff=0.2的材料)
综上所述,在评价不锈钢晶间腐蚀所采用的弯曲试验中,弯曲角度不同,所得到的试验结果也会不同(问题是对于什么材料,应弯曲到什么角度才刚开裂,由此可规定出这种材料的弯曲角度.)对于316L真应力应变曲线,f0=0.008,fc=0.01,ff=0.2的材料,弯到160°时刚开裂。
研究表明,随着弯曲角度的增大,试样的应变越来越大,当达到试样的弯曲断裂应变时,试样就会产生裂纹,发生开裂现象。
弯曲角度进一步增大,裂纹将发生扩展。
2、弯曲角度一定(180°),研究压头直径(3,5,8mm)对试样应变分布和裂纹起裂和扩展的影响(材料参数:
316L真应力应变曲线,f0=0.008,fc=0.01,ff=0.2)
图7和图8为不同压头直径弯曲试样到50°和110°时,试样沿路径1的应变分布情况
图7不同直径压头弯曲到50°时试样沿路径1的应变分布
图8不同直径压头弯曲到110°时试样沿路径1的应变分布
从图中可以看出压头直径大小对弯曲试样应变分布的影响较大。
压头直径越小,试样的应变就越大,而这些影响在试样中间处体现的最为明显。
图9不同直径压头弯曲到180°时试样沿路径1的应变分布
图9为不同压头直径弯曲试样到180°时,试样沿路径1的应变分布情况。
图中三条曲线分别为用不同直径大小的压头将试样弯曲到180°时的应变分布,其中压头直径为3mm和5mm时,试样产生裂纹,而压头直径为8mm时,试样未出现裂纹(对于什么材料?
)(对于316L真应力应变曲线,f0=0.008,fc=0.01,ff=0.2的材料)。
这说明了压头直径大小影响试样的应变分布,进而影响到试样弯曲到180°是否起裂以及裂纹的扩展。
与图7相比较我们可以发现,弯曲角度越大,压头直径大小对试样的应变分布的影响也就越大。
而与图8相比较,我们可以看出D=3mm的曲线中间部分最先到达最高点,说明在用不同直径的压头做弯曲试验时,D=3mm时试样起裂的时间比D=5mm时试样起裂的时间早。
图10不同直径压头弯曲到110°时试样沿路径2的应变分布
图10为不同压头直径弯曲试样到110°时试样沿路径2的应变分布情况。
从图中可以看出试样的应变随着压头直径的减小而增大,而这种影响在试样表面处体现得最为明显。
图11不同直径压头弯曲到180°时试样沿路径2的应变分布
图11为不同压头直径弯曲试样到180°时试样沿路径2的应变分布情况。
图中三条曲线分别为用不同直径大小的压头将试样弯曲到180°时的应变分布,其中压头直径为3mm和5mm时,试样产生裂纹,而压头直径为8mm时,试样未出现裂纹。
在曲线中4mm位置处的最高点表明此处发生了起裂,应变值达到最大,而起裂点附近的近似平行线则反映了裂纹的扩展,水平线的长度代表了裂纹的扩展量。
图中显示压头直径为3mm时裂纹扩增量约为1.5mm,而压头直径为5mm时裂纹扩增量约为0.2mm。
压头直径的大小对裂纹的扩展也有很大的影响。
综上所述,在评价不锈钢晶间腐蚀所采用的弯曲试验中,压头直径的大小不同,所得到的试验结果也会不同。
研究表明,压头直径越小,试样的应变越大,试样越容易产生裂纹,并且影响着裂纹的扩展。
这对试验的结果、晶间腐蚀的评价造成了很大的影响(因此需要固定直径,且加工精度和质量要高)。
3、压头直径,弯曲角度一定,研究材料拉伸力学性能(真应力-真应变关系),GTN损伤参数(材料延性断裂应变),对试样应变分布和裂纹起裂和扩展的影响。
压头直径D=5mm,试样弯曲到180°,不同材料性能的试样起裂情况(包括是否起裂,起裂时的弯曲角度,以及断裂时的表面应变)各不相同,具体如表1所示:
表1GTN模型参数与起裂情况
f0
fc
ff
εf
αi(°)
af(mm)
Mark
0.005
0.01
0.1
0.468
102.2
3.8
crack
0.005
0.01
0.11
0.481
108.7
3.8
crack
0.005
0.01
0.12
0.496
113.39
3.8
crack
0.005
0.01
0.13
0.50
148.36
3.4
crack
0.005
0.01
0.14
0.51
160.16
1.2
crack
0.005
0.011
0.14
no-crack
0.005
0.01
0.15
no-crack
0.006
0.01
0.15
0.52
138.34
3.6
crack
0.006
0.011
0.15
0.521
155.66
3
crack
0.006
0.012
0.15
no-crack
0.006
0.011
0.16
no-crack
0.008
0.01
0.2
0.49
158.24
0.6
crack
0.008
0.01
0.21
no-crack
0.008
0.011
0.2
no-crack
0.01
0.02
0.23
0.49
151.35
3.2
crack
0.01
0.02
0.24
0.50
168.01
0.4
crack
0.01
0.02
0.25
no-crack
0.01
0.021
0.24
no-crack
其中crack表示试样弯曲到180°后出现裂纹;no-crack表示试样弯曲到180°后不出现裂纹。
εf表示试样的断裂应变(原来取的是等效塑性应变,现在改为取长度方向的塑性应变,目的是为了与拉伸试验的轴向拉伸应变相对应);αi表示试样起裂角度;af表示裂纹扩展长度;
其他GTN参数保持不变,分别为q1=1.5,q2=1,q3=2.25,εN=0.3,SN=0.1,fN=0.002
从模拟结果中可以得到当试样弯曲到180°会产生裂纹的一系列材料GTN参数,其中也包括弯曲到180°刚刚开始起裂的情况。
以f0=0.008,fc=0.01,ff=0.2为例,平面模拟时试样弯曲到158.24°起裂,弯曲到180°后扩展了0.6mm。
而三维模型弯曲到159°起裂,弯曲到180°后裂纹并沿厚度只扩展了0.2mm。
这是三维模型与二维模型在裂纹扩展上的区别,而在起裂时间上相近。
因此可以认为当材料的GTN参数达到f0=0.008,fc=0.01,ff=0.2时,试样在弯曲到180°刚刚起裂,也就是说如果材料的抗延性断裂性能更差的话,那么试样在弯曲到180°时必然会发生开裂。
材料的抗延性断裂性能可以用弯曲起裂时起裂位置的断裂应变值来表示。
从表中的模拟结果还可以归纳出完全失效时的空洞体积分数ff、起裂角度αi和断裂应变εf三者之间的两两关系,如图12所示:
图12完全失效时的空洞体积分数ff、起裂角度αi和断裂应变εf三者之间的两两关系
从图中可以看出试样在弯曲到180°时的断裂应变大致为0.51,也就是说当材料的弯曲断裂应变εf小于0.51时,试样弯曲到180°时会发生开裂。
另外还通过模拟拉伸实验的方法来测定弯曲会发生开裂的材料力学性能,采用LSB调试好的GTN参数进行316L材料的拉伸试验模拟,模拟结果与WHT的实验结果相比较,结果较为吻合(如图13所示),说明构建的拉伸试验模型较为可靠。
图13拉伸试验与模拟的比较(为什么模拟的断裂应变会高于实验?
)这个地方我作图时顺序弄反了,模拟的断裂应变低于实验,现在已改过来。
至于断裂应变值的差异我认为可能跟LSB的GTN参数标定误差有关。
取弯曲会发生开裂的三组GTN参数进行了拉伸试验模拟,获得了相应的应力应变曲线(图14)和力学性能参数(表2)。
图14不同材料拉伸试验模拟得到的载荷位移曲线和真应力应变曲线
表2模拟得到的不同材料的拉伸力学性能
最大载荷(KN)
断后伸长率(%)
断面收缩率(%)
拉伸断裂应变
fo=0.005,fc=0.01,ff=0.14
45.140
51.19
52.265
0.41
f0=0.006,fc=0.011,ff=0.15
44.883
49.14
52.28
0.40
f0=0.008,fc=0.01,ff=0.2
43.459
46.66
51.92
0.38
综合以上的研究内容,可以归纳出当材料的断后伸长率低于47%、断面收缩率低于52%、拉伸断裂应变低于0.38(拉伸断裂应变是断裂时的真应变吗?
为什么会低于弯曲断裂应变?
)(拉伸断裂应变是断裂时的轴向真应变,利用公式ε真=Ln[(ΔL/Lo)+1]求得,而弯曲断裂应变我之前取的是等效塑性应变PEEQ,为0.59,如果要和拉伸断裂应变相对应比较,可以取长度方向的弯曲应变PE11,值为0.49,还是大于拉伸断裂应变,这个问题我还在思考中,是否是两者取值有问题。
)、弯曲断裂应变低于0.59时,无晶间腐蚀的试样在采用弯曲试验方法进行评价时也会出现裂纹。
算出的模型应变取值问题有点困惑(之前取的都是PEEQ),若要总的应变是可以是PEEQ,但没有方向,若要与拉伸模拟算出的拉伸断裂应变对应、比较,则可以取PE11(长度方向拉应变),文中都已经改为PE11了。
(不同应力应变曲线对试验的影响这部分还在做当中)
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