相变滞后对裂纹屏蔽机理的影响

在相变对裂纹屏蔽效应的研究中，普遍认为其主要的屏蔽机理是相变过程中体积膨胀引起的裂纹尖端应力场的改变及裂尖区域残余应力的释放，与材料变形历程中不同应变阶段的相变无关。最近，申请者在研究动态环境下相变在材料增韧中的作用时发现，由于变形速率的增加引起的相变滞后，会明显提高材料的韧性。考虑到材料变形最后阶段的微孔形核及扩展，有理由推测，相变滞后对裂纹的屏蔽应有相应增强。本项目拟针对这一问题，从理论及实验上探索相变滞后对裂纹屏蔽效应的影响。具体地，理论及数值模拟不同的相变过程及其对裂尖的影响；通过改变试验条件，获得裂尖前沿不同滞后程度的相变、相变区的分布特征及演化，揭示相变与材料微观变形的作用机理；通过本项目的研究，以期为存在相变裂纹屏蔽效应的材料设计、环境选择提供科学指导。

相变裂纹的屏蔽问题研究中，普遍认为其主要机理是相变过程中体积膨胀引起的裂纹尖端应力场的改变及裂尖区域残余应力的释放，与材料变形历程中不同应变阶段的相变无关。由于变形速率的增加引起的相变滞后，会明显提高材料的韧性。由于裂纹扩展的微观机理与材料断裂最后阶段的微观机理相似，有理由推断，相变滞后对裂纹的屏蔽也有相应增强。本项目通过改变试验加载速率，获得裂纹扩展过程中裂尖前沿不同滞后程度的相变；研究了不同滞后相变对裂纹屏蔽效应的影响；研究裂纹扩展前后裂尖区相变区域的分布特征及演化，揭示产生体积膨胀应变的相变与材料微观变形间的相互作用机理，进一步阐明相变裂纹屏蔽效应在不同变形阶段的微观物理机制。.通过项目的研究，得到了以下几个重要结果：.1，.为了表征相变裂纹的屏蔽效应，建立了基于等效应力梯度的裂纹扩展判据。通过分析裂纹尖端应力场及大量的复杂应力状态下的裂纹启裂及扩展规律，发现裂纹的扩展方向是与等效应力梯度沿距裂尖距离下降最大的方向一致的。基于此，我们可以建立以等效应力梯度变化为基础的裂纹扩展方向判据。.2，.为了评估相变裂纹屏蔽效应，对表征材料损伤参量——M积分的测量方法进行了修正。通过选取合适的试样及加载形式，针对中心裂纹及损伤试样，只要测得两个路径上沿载荷方向的应变，即可算出M积分值。.3，.针对相变滞后对裂纹的屏蔽效应的影响研究，通过巧妙的利用裂纹尖端应力场的梯度变化，考虑对应的残余奥氏体机械稳定性的特征。创造性的将奥氏体的机械稳定性问题即相变滞后问题转化为相变夹杂距裂纹尖端的距离问题。将变形过程中相变发生的先后的时间问题转化为距裂尖距离的空间问题。从而经过一系列的研究，得到了不同夹杂形状、位置及考虑夹杂体应变及切应变同时作用时相应的影响规律。.4，.针对相变滞后对材料韧性的实验研究，得到了相变滞后可以较大程度的提升材料的韧性。