车用高强度钢断裂多为韧性失效,在高应力三轴度下(如单向拉伸、双向拉伸等),其主要断裂机理是加载过程中材料内部孔洞的产生、生长和合并,进而导致材料失效(孔洞理论)。在负应力三轴度下(如单向压缩),主要断裂机理则是剪切滑移(滑移理论),如图4-14所示,而在这两者之间的应力状态下,材料失效表现为两种机理的相互竞争。
图4-14 两种主要断裂机理
由于两种不同断裂机理的存在,所以很难将各应力状态下的失效用统一的公式或曲线进行描述。研究者往往将其中一种机理下的理论模型进行修改,以同时适用两种不同的断裂行为,但是这通常也会使其应用在前一组应力状态下的预测精度降低,同时模型更为复杂,模型中的参数含义也变得模糊。根据塑性行为是否受到材料损伤影响,可以将表征策略分为损伤耦合型和损伤解耦型两类。损伤耦合型模型,例如Gurson模型,认为材料在发生一定程度的塑性变形之后开始出现损伤,并逐渐积累(Gurson 模型中为孔洞的产生、生长和合并)。Tvergaard和Neeldleman对模型进一步完善成为GTN模型。低应力三轴度下,这个模型会认为材料中没有孔洞生成,这也就使得其在低应力三轴度如剪切试验中无法预报失效。为了弥补这个缺陷,Nahshon和Hutchinson以及Nielsen在此基础上对模型进一步完成,修正后的GTN模型能够对剪切试验进行很好的模拟。这样最后的Gurson模型中含有10个待定参数,因此其标定过程比较复杂。
而损伤解耦模型是将材料的塑性行为和断裂行为相互独立处理,因此在研究和应用两方面都相对更加简便。常用的损伤解耦的断裂准则较多,形式简单的准则有最大剪应力、恒定塑性应变、Johnson-Cook 模型等,更复杂的有Xue-Wierzbicki模型、Cockcroft-Latham模型、Mohr-Coulomb模型等。Wierzbicki等对常用的准则进行了比较,发现对于他们所研究的金属材料最大剪应力准则具有非常好的精度,同时需要的标定试验又非常少,因而应用最为广泛;恒定塑性应变、Johnson-Cook 模型以及 Cockcroft-Latham 模型等的准则都没有考虑应力状态对断裂行为的影响,仅能被使用在特定的应力状态范围内。Xue-Wierzbicki 准则考虑了应力三轴度对金属断裂应变的影响精度更高但标定成本也更高。
Mohr-Coulomb 准则是最大剪应力模型的一种拓展,该模型认为当材料中正应力和剪应力合力达到极限值时,即发生失效,其表达式为
式中, c i 是Mohr-Coulomb准则的待定参数; 和 分别是最大和最小正应力。当 c 1 =0时,该准则退化为最大剪应力准则。因此该模型能对剪切为主的失效进行较好的预测。
Bai和Wierzbicki 等采用应力状态相关的塑性模型对该准则进行了修正,得到了以应变为断裂判据的MMC(Modified Mohr-Coulomb)模型:
式中, η 和 分别是应力三轴度和罗德角参数; A 和 n 是材料硬化参数; c n 、 η 0 、 和 是该修正准则参数。
式中, 分别为第一、第二、第三正应力; σ m 为平均应力; 为等效应力。
对于板材的材料失效,可近似看成平面应力状态下的失效行为,此时应力三轴度和洛德角参数之间存在着一定相关性:
因此,平面应力状态下MMC模型可以简化为,
MMC断裂准则已被成功地应用到了多种金属,并展现出了良好的断裂预测能力。