摘要: 塑性金属材料的损伤与断裂与其微结构密切相关。目前针对金属材料损伤与断裂的研究大多集中于微孔洞的形核、生长与聚合等方面，局部变形阶段微孔洞演化理论对于揭示塑性金属材料的损伤与断裂机制具有重要的意义。事实上，塑性金属材料中微孔洞的形核... 展开 塑性金属材料的损伤与断裂与其微结构密切相关。目前针对金属材料损伤与断裂的研究大多集中于微孔洞的形核、生长与聚合等方面，局部变形阶段微孔洞演化理论对于揭示塑性金属材料的损伤与断裂机制具有重要的意义。事实上，塑性金属材料中微孔洞的形核主要是塑性变形过程中内界面(晶界)开裂引起的。晶界是材料中典型的缺陷(面缺陷)之一，对材料的力学行为影响很大。但是目前关于塑性变形过程中晶界细观损伤演化行为的研究并未得到足够的关注。因此，本文以晶界为细观损伤源，以晶粒形状因子统计量这一描述晶粒形状改变的材料参数作为细观损伤变量，采用准静态单轴拉伸实验和定量金相方法获取材料晶粒形状改变与宏观变形量之间的关系；采用准静态单轴拉伸实验和数字图像相关方法(Digital Image Correlation DIC)在线获取材料的表观变形状况以及与宏观变形量的对应关系。据此研究了细观损伤演化规律，建立了损伤方程和本构模型，真实地揭示了发生在材料内部和表面的细观尺度上的损伤形态及其演化行为。获得的结论对于深入理解塑性金属材料微结构演化和细观损伤有重要的作用。 以纯铜和铜合金薄板试样单轴拉伸实验为基础，研究了形状因子的细观损伤演化规律。两种金属材料的晶粒随塑性变形的增加呈现纵向伸长、横向收缩的趋势，而且晶粒尺度逐渐减小；形状因子和相对形状因子均随塑性变形的增加而增大，而且分别在应变为0.24和0.17时出现明显增加的现象，该值也与晶粒显著伸长或尺度减小相对应。 通过退火调节晶粒度，研究了具有不同晶粒尺度的两种材料的细观损伤演化规律。晶粒尺度的改变对晶粒形状因子的演化规律影响较小，保持了随塑性变形增加而增大的关系。但不同点是大尺度晶粒度越晚发生塑性变形，且塑性变形过程越长，损伤变形的速度越慢。临界应变点分别推迟到0.34和0.24，纯铜比铜合金的临界应变点推迟距离更长，相应的损伤变形速度更慢。 基于单轴拉伸实验结果，以归一化形状因子为损伤参量，建立了损伤演化方程：D=a+becε(a，b，c为与材料有关的常数)，材料的变化(合金种类、晶粒度)对a，b的取值影响较小，对c的取值影响较大。材料晶粒尺度增加，常数a，b小幅下降，常数c出现明显下降的现象。合金化后，常数a,b,c均呈现增加的趋势。该方程定量地揭示了两种金属材料的细观损伤演化规律且具有推广性，可以推广到其他金属及其合金(如Al、Zn、Ni、Ti等)的细观损伤演化表征。 在Ramberg-Osgood模型基础上，以归一化形状因子为损伤参量，建立了损伤本构模型。模型中的硬化系数、硬化指数与材料的变化(合金种类、晶粒度)密切相关。随着晶粒尺度的增加，硬化系数、硬化指数均减小。合金化后，硬化系数、硬化指数均增大。基于Cockcroft-Latham准则和损伤本构模型计算得到的临界损伤因子与实验值基本相符，可以较好地预测材料的快速损伤阶段。该模型的预测误差均小于10%，能够较精确地预测不同金属材料(合金种类、晶粒度)塑性拉伸流动应力。 通过数字图像相关方法(DIC)对两种材料表观损伤演化规律的研究，建立了表观损伤演化方程。以应变损伤因子为损伤参量，建立了两种材料的表观损伤本构模型。结果表明，材料的表观损伤演化规律与晶界损伤演化规律相似，损伤演化方程大体一致，材料表面和内部的临界应变点大体相同。表观与内部临界损伤因子及损伤本构模型基本相符，验证了这一方法对延性金属材料损伤演化定量化表征的适用性，为材料细观损伤演化的全场分析提供补充。 收起