背景简介

工程实际中的金属承载结构即使仅受单一载荷作用，也常处于复杂多轴应力状态。在地震、台风等不可抗力因素以及过载等条件下，延性断裂往往是金属结构主要破坏形式。研究多轴应力状态下的材料变形行为响应和合理预测材料的延性损伤，对于保障金属承载结构的安全服役具有重要意义。

目前研究应力状态对塑性变形和延性断裂影响的实验多集中在较高的应力三轴度水平，而低应力三轴度水平下的实验设计甚少，这也导致低应力三轴度水平下的损伤模型缺少实验数据的支持与验证。因此，如何准确描述宽范围下应力三轴度对断裂行为的影响，从而建立准确反映结构损伤程度及承载能力的金属延性断裂预测模型，无疑是保证结构安全运行亟需解决的关键问题之一。

成果介绍

（1）设计了一种新型拉伸剪切组合试样。相比其它试样，通过改变预设夹角，在仅在单向拉伸的加载情况下，在缺口部位将承受不同的拉伸剪切组合受力状态，进而可以获得不同的应力三轴度水平。通过断口分析可以发现，在高应力三轴度情况下，其损伤机制为孔洞形核-长大-贯通；在低应力三轴度情况下，其损伤机制为剪切延性断裂，即孔洞形核-孔洞间韧带剪切断裂（图1）。

图1 试样应力三轴度范围对比以及应力状态对断裂机理的影响

（2）建立了两种金属材料（SM400A和316L）的平均应力三轴度描述断裂轨迹，发现等效塑性断裂应变随应力三轴度先增大后减小。利用所获得的断裂轨迹和延性耗竭理论，并结合有限元分析，准确重现了不同加载状态下的载荷位移曲线（图2）。

图2 断裂轨迹和载荷位移曲线预测

        （3）基于以上数据、模型和方法，对不同厚度拉伸剪切试样的延性断裂全过程进行预测。预测得到的变形大小、起裂位置、断后轮廓等与实验观察一致，验证了所建立的断裂模型和数值模拟方法的预测能力（图3）。

图3 不同时刻的损伤云图及断后试样照片

        该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市浦江人才计划和111引智计划的支持。

论文信息：Zhang XW, Wen JF*, Zhang XC, Wang XG, Tu ST*. Effects of the stress state on plastic deformation and ductile failure: Experiment and numerical simulation using a newly designed tension‐shear specimen. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2019;42(9):2079-2092. （下载量排FFEMS期刊前10%）