贾哲等：金属塑性成形中的韧性断裂微观机理及预测模型的研究进展 ·1455· cations in metal forming processes are summarized as well.Toward the conclusion,prospective trends in ductile fracture research are surveyed.The objective of this paper is to provide engineers and researchers with a beneficial overview of the selection,utilization,and development of ductile fracture prediction models. KEY WORDS forming limit;ductile fracture;coupled model;uncoupled model;void evolution 金属材料在发生较大塑性变形后，其强度、刚度 在不同应变路径上的持续变形，韧性损伤也会不可 和冲击韧性等力学性能会劣化，最终导致其发生韧 逆地持续累积，并导致材料性能的劣化，当所形成的 性断裂.自I963年Keeler和Backofen]提出经典 微裂纹相互连接时，宏观裂纹便会产生，最终导致材 的成形极限图(forming limit diagram,FLD)以来，工 料的韧性断裂.因此，宏观载荷及相关变形条件是 业界将其作为预测金属板材成形失效的重要判据. 韧性断裂的外因，而其内在微观机理则是韧性损伤. 为了快速获取板材的成形极限图，各国学者们基于 许多国内外学者将韧性损伤的演化概括为微孔洞的 缩颈失稳/局部减薄提出了一系列的理论模型，例 形核、长大和聚合.因此，本节将着重从这几个方面 如：Swif分散性失稳理论)、Hil集中性失稳理 介绍韧性断裂的微观机理. 论[3]以及Marciniak-Kuczynski失稳理论[ 1.1孔洞的形核 近些年来，轻量化已经成为汽车行业解决环保、 通常情况下，大多数金属为多相材料，材料基体 节能和安全等问题的重要途径之一，先进高强钢、铝 中都含有第二相粒子及碳化物等非金属夹杂物. 合金和镁合金等高强度-质量比材料正被广泛的应 Petch最早发现孔洞在第二相粒子处萌生并导致 用于汽车制造领域s6).但是，这些材料在一般的应 金属材料过早发生断裂.Plateau等8]利用扫描电 变路径（单向拉伸应变路径至双向等拉应变路径） 子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)观察 上破裂时没有明显的缩颈失稳/局部减薄7-8】，并且 了超低碳钢的断口形貌，如图1所示. 它们在凹模圆角附近发生的剪切型断裂也超出了传 统成形极限图的预测范围].在目前快速发展的单 点渐进成形中，金属板材往往会出现没有明显缩颈 的韧性断裂，其极限应变也会明显高于传统成形极 限图的预测值[0-].此外，某些板材在应变路径由 单向拉伸向双向等拉变化时，其失稳行为也会相应 地由缩颈失稳转变为没有明显缩颈的韧性断裂] 综上可知，除了传统的缩颈成形极限图(forming lim- it diagram at necking,FLDN)之外，还应当采用韧性 断裂成形极限图(forming limit diagram at fracture, 图1超低碳钢断口形貌[18) FLDF)以全面评估板材的成形性能. Fig.1 Fracture morphology of ultra-low-carbon steel(is] 为了准确预测金属材料在塑性成形工艺中的韧 性断裂行为，国内外学者专注于韧性断裂的微观机 Puttick[1]通过对铜铁拉伸断裂试件的显微观 理以及预测模型的研究，这对成形工艺的设计、优化 察发现非金属夹杂物的开裂以及基体材料与夹杂物 以及材料的选择都具有十分重要的意义[3-6).本 之间的界面剥离导致初始孔洞形核.Babout等[2w] 文首先介绍了韧性断裂微观机理的研究进展，随后 采用高分辨率X射线扫描法观察到了孔洞形核的 回顾了韧性断裂预测模型的研究进程，并重点评述 两种机制：基体-夹杂物剥离机制和夹杂物开裂机 了几种典型的韧性断裂模型及其在金属塑性成形中 制，分别如图2中的(a)和(b)所示.这两种机制的 的应用，最后对韧性断裂模型的后续研究进行了 孔洞形核与材料特性密切相关，一般取决于基体材 展望. 料的屈服强度、硬化率以及颗粒刚度等因素.Go0ds 和Brown[2]研究了均质材料和非均质材料中的孔 1韧性断裂微观机理 洞形核，并强调了基体材料与夹杂物或第二相粒子 金属材料发生韧性断裂前，在载荷或其他外部 之间的临界剥离应力.此外，孔洞形核还与颗粒或 因素作用下，其内部结构会产生大量的微孔洞和微 夹杂物的大小相关.基体材料在经历较大塑性变形 裂纹等缺陷，这些缺陷即韧性损伤.随着金属材料 的情况下，孔洞优先在较大颗粒或夹杂物处形贾 哲等: 金属塑性成形中的韧性断裂微观机理及预测模型的研究进展 cations in metal forming processes are summarized as well. Toward the conclusion, prospective trends in ductile fracture research are surveyed. The objective of this paper is to provide engineers and researchers with a beneficial overview of the selection, utilization, and development of ductile fracture prediction models. KEY WORDS forming limit; ductile fracture; coupled model; uncoupled model; void evolution 金属材料在发生较大塑性变形后,其强度、刚度 和冲击韧性等力学性能会劣化,最终导致其发生韧 性断裂. 自 1963 年 Keeler 和 Backofen [1] 提出经典 的成形极限图(forming limit diagram, FLD)以来,工 业界将其作为预测金属板材成形失效的重要判据. 为了快速获取板材的成形极限图,各国学者们基于 缩颈失稳/ 局部减薄提出了一系列的理论模型,例 如:Swift 分散性失稳理论[2] 、 Hill 集中性失稳理 论[3]以及 Marciniak鄄鄄Kuczynski 失稳理论[4] . 近些年来,轻量化已经成为汽车行业解决环保、 节能和安全等问题的重要途径之一,先进高强钢、铝 合金和镁合金等高强度鄄鄄质量比材料正被广泛的应 用于汽车制造领域[5鄄鄄6] . 但是,这些材料在一般的应 变路径(单向拉伸应变路径至双向等拉应变路径) 上破裂时没有明显的缩颈失稳/ 局部减薄[7鄄鄄8] ,并且 它们在凹模圆角附近发生的剪切型断裂也超出了传 统成形极限图的预测范围[9] . 在目前快速发展的单 点渐进成形中,金属板材往往会出现没有明显缩颈 的韧性断裂,其极限应变也会明显高于传统成形极 限图的预测值[10鄄鄄11] . 此外,某些板材在应变路径由 单向拉伸向双向等拉变化时,其失稳行为也会相应 地由缩颈失稳转变为没有明显缩颈的韧性断裂[12] . 综上可知,除了传统的缩颈成形极限图(forming lim鄄 it diagram at necking, FLDN)之外,还应当采用韧性 断裂成形极限图( forming limit diagram at fracture, FLDF)以全面评估板材的成形性能. 为了准确预测金属材料在塑性成形工艺中的韧 性断裂行为,国内外学者专注于韧性断裂的微观机 理以及预测模型的研究,这对成形工艺的设计、优化 以及材料的选择都具有十分重要的意义[13鄄鄄16] . 本 文首先介绍了韧性断裂微观机理的研究进展,随后 回顾了韧性断裂预测模型的研究进程,并重点评述 了几种典型的韧性断裂模型及其在金属塑性成形中 的应用,最后对韧性断裂模型的后续研究进行了 展望. 1 韧性断裂微观机理 金属材料发生韧性断裂前,在载荷或其他外部 因素作用下,其内部结构会产生大量的微孔洞和微 裂纹等缺陷,这些缺陷即韧性损伤. 随着金属材料 在不同应变路径上的持续变形,韧性损伤也会不可 逆地持续累积,并导致材料性能的劣化,当所形成的 微裂纹相互连接时,宏观裂纹便会产生,最终导致材 料的韧性断裂. 因此,宏观载荷及相关变形条件是 韧性断裂的外因,而其内在微观机理则是韧性损伤. 许多国内外学者将韧性损伤的演化概括为微孔洞的 形核、长大和聚合. 因此,本节将着重从这几个方面 介绍韧性断裂的微观机理. 1郾 1 孔洞的形核 通常情况下,大多数金属为多相材料,材料基体 中都含有第二相粒子及碳化物等非金属夹杂物. Petch [17]最早发现孔洞在第二相粒子处萌生并导致 金属材料过早发生断裂. Plateau 等[18] 利用扫描电 子显微镜( scanning electron microscopy,SEM) 观察 了超低碳钢的断口形貌,如图 1 所示. 图 1 超低碳钢断口形貌[18] Fig. 1 Fracture morphology of ultra鄄low鄄carbon steel [18] Puttick [19]通过对铜铁拉伸断裂试件的显微观 察发现非金属夹杂物的开裂以及基体材料与夹杂物 之间的界面剥离导致初始孔洞形核. Babout 等[20] 采用高分辨率 X 射线扫描法观察到了孔洞形核的 两种机制:基体鄄鄄夹杂物剥离机制和夹杂物开裂机 制,分别如图 2 中的(a)和(b)所示. 这两种机制的 孔洞形核与材料特性密切相关,一般取决于基体材 料的屈服强度、硬化率以及颗粒刚度等因素. Goods 和 Brown [21]研究了均质材料和非均质材料中的孔 洞形核,并强调了基体材料与夹杂物或第二相粒子 之间的临界剥离应力. 此外,孔洞形核还与颗粒或 夹杂物的大小相关. 基体材料在经历较大塑性变形 的情况下,孔洞优先在较大颗粒或夹杂物处形 ·1455·