導(dǎo)讀: 在韌性斷裂界，最令人困惑的爭議之一是在剪切主導(dǎo)加載過程中，預(yù)測的應(yīng)變-破壞值與實(shí)驗(yàn)觀察到的應(yīng)變-破壞值之間存在很大差異。目前提出的解決方案側(cè)重于更好地解釋偏應(yīng)力狀態(tài)如何影響空洞生長，或者側(cè)重于在微觀尺度而不是宏觀尺度上測量應(yīng)變。雖然這些方法是有用的，但它們并沒有解決問題的一個重要方面:通?？紤]的唯一斷裂微機(jī)制是空洞成核、生長和聚并(對于拉伸主導(dǎo)加載)，以及剪切局部化和空洞聚并(對于剪切主導(dǎo)加載)。因此，當(dāng)前的現(xiàn)象學(xué)模型側(cè)重于基于材料的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變硬化能力來預(yù)測這些機(jī)制之間的競爭。通過對銅、鎳和鋁這三種具有中高層錯能的高純度面心立方(FCC)金屬的斷裂過程進(jìn)行表征，解決了這些問題。對于給定的應(yīng)力狀態(tài)和材料，幾種機(jī)制經(jīng)常以順序的方式共同作用，導(dǎo)致斷裂。破壞機(jī)制的選擇在很大程度上受到撕裂開始前發(fā)生的塑性誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變的影響，這可能會產(chǎn)生或消除空隙成核的場所。在宏觀尺度上，觀察到不涉及破裂或孔隙生長的破壞機(jī)制有助于隨后的孔隙生長和聚并過程。雖然本研究的重點(diǎn)是純金屬的損傷積累，但這些結(jié)果也適用于理解工程合金的失效。

隨著20世紀(jì)斷裂力學(xué)的出現(xiàn)，許多斷裂問題變得相對容易預(yù)測。目前，基于線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的概念被廣泛用于預(yù)測韌性金屬的破壞。此外，許多基本問題，如拉伸和剪切主導(dǎo)載荷之間延性的相對差異，仍然沒有答案。在這種情況下，本研究的目的是研究韌性斷裂的機(jī)制和控制它們的因素。

在目前的研究中，我們提出骨折通常是由多種機(jī)制的順序發(fā)展控制的。此外，我們假設(shè)這些機(jī)制不僅相互競爭，而且可以相互促進(jìn)。一個經(jīng)典的，但經(jīng)常被忽視的例子是結(jié)構(gòu)金屬的杯錐破壞。大多數(shù)拉伸桿的斷口表面既表現(xiàn)為中心平坦的“纖維”韌性韌窩區(qū)，又表現(xiàn)為向外圍剪切唇區(qū)明顯的過渡。

為了驗(yàn)證這些假設(shè)，Philip J. Noell團(tuán)隊(duì)采用中斷變形實(shí)驗(yàn)和各種表征方法表征了高純銅、鎳和鋁的斷裂過程。這三種材料都是面心立方(FCC)，在準(zhǔn)靜態(tài)、室溫變形時通過滑移變形，表明并非所有FCC金屬失效的機(jī)制相同。選擇了兩種應(yīng)變硬化能力截然不同的材料(銅和鎳)。選取高純鋁，研究動態(tài)再結(jié)晶對斷裂過程的影響。在純度為99.99%或更高的樣品的室溫變形過程中，該材料觀察到動態(tài)再結(jié)晶[60e62]。本研究的重點(diǎn)是這三種材料的片材試樣在單軸拉伸下的破壞，但也對每種材料的絲材試樣的斷口表面進(jìn)行了表征，以了解各向同性約束狀態(tài)下的損傷進(jìn)展。

雖然這項(xiàng)研究僅限于高純度金屬，但這些結(jié)果也與含有第二相顆粒的金屬有關(guān)。在純金屬中，空洞在晶界和變形引起的位錯界等部位成核，而在大多數(shù)工程材料中，第二相顆粒是主要的空洞成核部位。第二相顆?？赡軙铀倏斩闯珊诉^程，并且在許多材料中都支持基于空洞的破壞機(jī)制。因此，純金屬的破壞過程比在大多數(shù)工程材料中觀察到的更廣泛的破壞機(jī)制，同時提供了關(guān)于基于空洞的破壞機(jī)制之間競爭的信息。

相關(guān)研究成果以“The mechanisms of ductile rupture”發(fā)表在Acta Materialia上

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.09.006

圖1(A)給出了Al 2024-T351試樣在不同應(yīng)力三軸性(σm/σe)下的斷裂應(yīng)變圖。

(b)中的圖像顯示了矩形Ti-6Al-4V試樣的拉伸斷裂面示例，該試樣在第二次Sandia斷裂挑戰(zhàn)中進(jìn)行了單軸拉伸測試。在許多大塊金屬中，有兩種明顯而典型的機(jī)制:一個扁平的纖維帶，通常與空洞成核、生長和聚并有關(guān)，另一個是外圍剪切唇。

在應(yīng)力三軸性約為1/3時，他們觀察到破壞應(yīng)變隨著應(yīng)力三軸性的減小而減小，在純剪切條件下達(dá)到最小值(應(yīng)力三軸性為0)，在負(fù)應(yīng)力三軸性下迅速增加。這種關(guān)系如圖1 (a)所示。隨后的幾項(xiàng)研究報道了破壞應(yīng)變與應(yīng)力三軸性之間的類似關(guān)系[17e19]。因此，建立了剪切修正的Gurson、Mohr-Coulomb和其他[13,23e26]模型來捕捉剪切主導(dǎo)荷載的影響

圖2  7種不同宏觀韌性斷裂機(jī)制的示意圖如下:(a)空隙縮縮，(b)空隙剪切，(c)空隙片狀，

(d) Orowan交替滑移(OAS)機(jī)制，(e)縮縮至某一點(diǎn)導(dǎo)致試樣分離，

(f)和(g)分別顯示了單平面和多平面突變剪切導(dǎo)致試樣分離。文中提供了每種機(jī)制的詳細(xì)定義。

圖3給出了由(a)空隙縮縮、(b)空隙剪切、(c)空隙片化、(d) OAS機(jī)制、(e)縮縮至某一點(diǎn)、

(f)單平面突變剪切和(g)多平面突變剪切控制試樣的斷裂過程的SEM圖像。

表1提供了本研究測試材料的參考列表。對于每種材料，列出了線徑或片厚，以及與之相關(guān)的數(shù)字。如果在材料中觀察到夾雜物，則報告這些夾雜物的平均直徑。描述了七種不同的材料:一種鋁線材料、兩種鋁片材料、一種銅線材料、一種銅片材料、一種鎳線材料和一種鎳片材料。

圖4工程應(yīng)力與工程應(yīng)變數(shù)據(jù)表明，5N-Al、3N-Cu和4N-Ni片材的流動行為存在顯著差異。原理圖顯示了板材拉伸試樣的方向。這些工程應(yīng)變數(shù)據(jù)是用立體DIC測量的。在3N-Cu拉伸試樣的圖像上顯示了一個示例DIC數(shù)據(jù)集。在這種情況下，當(dāng)流動應(yīng)力降至極限拉應(yīng)力(UTS)的30%時，拉伸變形被中斷。

在0.127 mm/s的恒定位移速率下，采用位移控制對板材拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)。圖4給出了3N-Cu、4N-Ni和5N-Al片材拉伸試驗(yàn)的典型工程應(yīng)力與工程應(yīng)變數(shù)據(jù)。應(yīng)變測量采用立體數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)，使用子集尺寸為35像素，步長為9像素，長度為2.35 mm的數(shù)字應(yīng)變片。根據(jù)零負(fù)荷基線實(shí)驗(yàn)，DIC延伸計測量噪聲水平為±0.004%。用于這些應(yīng)變測量的延伸計如圖4所示，其中包含3N-Cu拉伸試樣的DIC數(shù)據(jù)。該圖還顯示了板材拉伸試樣的三個主軸:拉伸方向(TD)、長橫向(LTD)和短橫向(STD)。在所有情況下，STD都平行于原始薄片的厚度方向。

表2提供了對5N-Al、3NCu和4N-Ni片材進(jìn)行的中斷拉伸試驗(yàn)摘要。兩個5N-Al板材材料的拉伸試樣在10%的UTS處中斷。

表3總結(jié)了每種材料在損傷積累過程中控制斷裂的機(jī)制和相應(yīng)的應(yīng)力三軸性。OAS機(jī)制是指通過交替滑移過程形成空腔;通過OAS機(jī)制未觀察到孔洞成核。高局部應(yīng)力三軸性定義為1/3(單軸拉力)或更大，例如，在剪切帶形成之前頸規(guī)區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。低局部應(yīng)力三軸性定義為介于0到1/3之間(剪切和拉伸混合)，例如在剪切帶形成后頸規(guī)區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。

圖5(a)鋁、(b)銅、(c)鎳三種高純度導(dǎo)線的斷口表面。

對于每種材料，提供以下(從左到右):斷裂面橫截面的電子通道對比(ECC)圖像，斷裂面的二次電子圖像(與斷裂面垂直)，以及斷裂面的說明性草圖。這些圖像突出了這三種金屬絲材料斷口表面的顯著差異。

圖6給出了兩種不同高純鋁材料的斷裂過程。

如圖(a)和(c)所示，多晶5N-Al材料因間隙頸縮而失效。

如圖(b)所示，動態(tài)再結(jié)晶(DRX)在5N-Al片材中產(chǎn)生了新的無應(yīng)變晶粒。

如圖(d)和(e)所示，低晶4N-Al材料因縮頸到一點(diǎn)而失效。

圖7 3N-Cu薄片材料的斷裂過程用六個不同試樣的中間截面圖像來說明，

這些試樣在(a) 60%， (b) 55%， (c) 50%， (d) 40%， (e) 30%和(f) 5%的UTS處中斷。

覆蓋在每張圖像上的草圖突出了斷裂過程中此時的主要斷裂機(jī)制:

(a)擴(kuò)散頸中的間隙頸縮導(dǎo)致的空洞成核和生長，(b)剪切帶中空洞片形成的新空洞成核，

(c)到(e)空洞片形成的空洞合并，以及(f) OAS機(jī)制導(dǎo)致該材料的最終斷裂。

圖8提供了圖7(c)所示的腔體的高倍圖像。作為參考，在圖7(c)中標(biāo)記了(a)和(b)所示的區(qū)域。(a)中的圖像突出顯示了合并形成空腔的空腔兩側(cè)的拉伸空洞。

(b)中的二次電子圖像是在樣品的STD傾斜后拍攝的，顯示這些拉伸空洞通過空洞片聚集在一起。這可以從空腔兩側(cè)的一排排剪切凹陷中得到證明。

圖9破裂的3N-Cu薄片試樣的宏觀斷口圖如圖(A)所示。

(b)和(c)中的圖像是(A)中突出顯示的區(qū)域的高倍圖像。

這些圖像顯示，斷裂表面的中心覆蓋著拉伸韌窩，韌帶覆蓋著剪切韌窩。然而，該斷口的傾斜邊緣基本上是無韌窩的，這表明中心空腔是由OAS機(jī)制形成的。

圖10 4N-Ni片材的斷裂過程使用四個不同試樣的中間截面圖像來說明，

這些試樣在(a) 50%， (b) 25%， (c) 20%和(d) 10%的UTS處中斷。

疊加在每張圖像上的草圖突出了斷裂過程中此時的主要斷裂機(jī)制:

(a)宏觀剪切帶的形成，

(b)材料的兩半相互剪切，通過與(a)中的圖像進(jìn)行比較可以看到，剪切帶中空洞的成核，隨后這些小空洞聚并導(dǎo)致(c)通過間隙剪切形成中心空洞，

(d)通過OAS機(jī)制形成該空洞。從這些圖像來看，從單面突變剪切到間隙剪切的轉(zhuǎn)變似乎是突然發(fā)生的，盡管突變剪切過程可能是通過沿剪切軸延長空洞而使空洞合并的。

圖11提供了如圖10(c)所示的空腔內(nèi)部的二次電子圖像。這些圖像是在標(biāo)本傾斜STD后拍攝的，以便對腔體內(nèi)部進(jìn)行成像。這些圖像突出顯示了空洞邊緣的部分，這些部分要么被剪切凹陷覆蓋，要么沒有凹陷。

圖12(A)是4N-Ni片試樣破裂的宏觀斷口圖。

(b)和(c)中的圖像是(A)中高亮顯示區(qū)域的高倍圖像。

這些圖像顯示，斷口表面的中心覆蓋著近似平行的韌窩，而邊緣基本上沒有韌窩。

圖13給出了鎳和銅的空隙體積分?jǐn)?shù)(VNv)與von Mises應(yīng)力(s)的關(guān)系圖。

由于銅具有比鎳大得多的應(yīng)變硬化能力，對于給定的von Mises應(yīng)力，銅中空隙間剪切所需的空隙體積分?jǐn)?shù)明顯大于鎳。

圖14給出了斷裂機(jī)理圖的兩個概念性例子。

(a)中的圖大致基于在4N-Ni材料中觀察到的破壞順序，4N-Ni材料具有高的空穴成核阻力和低的空穴生長阻力。

(b)中的圖顯示了材料失效過程的一個例子，其中空洞成核幾乎完全被抑制，例如本研究中使用的5N-Al絲材料。

本研究通過表征高純鋁、鎳和銅的斷裂，研究了這些不同破壞機(jī)制之間的相互作用，探究了這些材料從擴(kuò)散頸形成到最終試樣分離的整個破壞過程。主要成果如下：

(1)失效過程經(jīng)常涉及到若干機(jī)制的連續(xù)發(fā)展。當(dāng)這種情況發(fā)生時，一種失效機(jī)制通常會促進(jìn)隨后出現(xiàn)的機(jī)制。

(2)在破壞前的變形過程中發(fā)生的微觀組織演變可以消除或產(chǎn)生材料中的空洞形核位點(diǎn)。這可以顯著影響不同失效機(jī)制之間的競爭。

(3)間隙剪切與空隙板的競爭取決于應(yīng)變硬化能力，低應(yīng)變硬化能力有利于間隙剪切，高應(yīng)變硬化能力有利于空隙板。

(4)據(jù)推測，在剪切主導(dǎo)載荷下，應(yīng)變到破壞的差異不僅是由于應(yīng)變測量的空間分辨率和破壞定義的差異，而且還由于特定材料/條件下主導(dǎo)機(jī)制的差異以及可能導(dǎo)致破壞的多種機(jī)制的代表性不足。