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                        頂刊《Acta Materialia》:3D原位研究鋁合金"剪切到拉伸"的損傷!


                        雖然幾十年來的研究一直集中在高水平三軸應力下的損傷和斷裂,但直到最近才開始針對含缺口厚部件在低應力下的變形和失效進行研究。在高應力斷裂過程中,空洞的形核、生長和聚集是主要的損傷機制,應力三軸度與塑性應變相結合被確定為延性損傷增長的驅動力。然而,在應力三軸度較低的情況下,已發現斷裂應變與應力三軸度之間存在復雜的非單調關系。由于最終失效過程高度局部化,在這些情況下很難定義和測量斷裂應變。關于剪切載荷下損傷機制的微機械建模,已進行多項研究,但是這些理論工作中的大部分仍需要實驗驗證。?法國巴黎理工大學的一項最新研究探討了在低應力三軸度下從“剪切到拉伸”的載荷路徑變化對延展性、變形和損傷機制的影響。相關論文以題為“3D insitu study of damage during a ‘shear to tension’ load path change in an aluminium alloy”發表在Acta Materialia。

                        論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117842




                        本研究所用材料為再結晶的2198T851鋁合金(以下簡稱為2198T8R),軋制方向記為L,橫向記為T,厚度方向記為S,對角線方向記為D,原材料在LT平面的晶粒尺寸為82μm,在S方向晶粒尺寸為20μm,金屬間化合物顆粒的體積分數約為0.3-0.4%。?以剪切為主的損傷機制研究幾乎都集中在空洞導致的失效(即空洞形核-旋轉-伸長)。然而,對于具有非常有限的初始孔隙率或預先存在空隙的合金,空隙介導的損傷機制可能無法控制失效,有害扁平裂紋的起源值得進一步探索。本研究類似的方法可以應用于其他負載路徑變化。使用3D同步加速器層析成像,可以更好地理解非比例載荷路徑變化下的剪切損傷機制直至斷裂。
                        在這項研究中,應用了各向異性彈塑性材料模型。為了更好地預測不同非比例載荷路徑變化下的損傷和失效,需要合適的損傷模型。當前在剪切主導載荷下的模型假設預先存在的空隙形狀變化或剛性顆粒的脫聚,而不考慮在不存在顆粒的情況下空隙形核。使用簡化紋理方法(RTM)來提高計算效率,并且這種方法涉及顯著減少代表性晶體取向的數量。沿滑移面的損傷形核可以代表觀察到的剪切裂紋的產生。



                        圖1 2198T8R板材3D晶粒結構的反極圖

                        圖2 剪切到拉伸載荷的實驗和模擬標稱應力與拉伸曲線

                        圖3 從剪切到拉伸,應力三軸度沿水平線和垂直線軸分布

                        圖4 斷裂前剪切帶區域的層析成像數據損傷可視化

                        本研究明確了在拉伸之前預加載剪切的不利影響。(1)在中尺度上:選擇了適用于非比例載荷路徑的累積等效應變。它適用于投影DIC和有限元模擬結果,用于樣品中間平面的應變測量。損傷演變是根據表面空隙率量化的,作為在整個載荷歷史上測量的累積等效應變的函數;(2)在微觀上:發現了兩種主要類型的損傷特征:金屬間顆粒裂紋和扁平裂紋。后者對2198 T8R材料的負面影響更大。令人驚訝的是,在剪切預應變結束時已經可以觀察到損傷形核,在此期間應力三軸度幾乎為零。在剪切預應變后的拉伸載荷過程中,形核損傷增大并導致最終斷裂。本文對研究低應力三軸度下材料的變化有指導作用。


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