韧脆转变普遍发生于体心立方（BCC）的金属结构材料。当温度低于BCC金属材料的韧脆转变温度时，脆性断裂的发生往往会引起灾难性的后果，例如泰坦尼克号的沉没。提高金属材料的低温塑性和韧性对于能源及航空航天领域都有极其重要的价值。
应力状态是影响材料断裂行为的重要因素。目前，断裂力学实验被广泛应用于表征材料的断裂韧性。在低温断裂力学实验中，由于预裂纹引起的较高应力三轴度，普通BCC钢材会发生脆性断裂。然而，对于金属材料在更广泛应力状态下的低温断裂行为目前尚缺乏系统性研究。例如，本文报道的BCC管线钢单轴拉伸的实验结果显示，在零下196 ºC的延伸率比室温下高出50%。
针对上述问题，德国亚琛工业大学钢铁研究所联合芬兰阿尔托大学先进材料与加工课题组，对低合金贝氏体钢的低温（-196 ºC）塑性变形和断裂行为进行了目前为止最系统和全面的实验研究。根据实验观察的不同应力状态下的失效机制，结合有限元的仿真结果，提出了新的基于应力状态引起失效机制转变的统一断裂准则。研究成果“A unified fracture criterion considering stress state dependent transition of failure mechanisms in bcc steels at –196° C”于近日发表于金属塑性领域顶刊International Journal of Plasticity。
论文链接（开源）:
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103365
通过采用不同样品形状的拉伸，压缩及三点弯曲实验，对广泛应力范围内的BCC钢材低温塑性及断裂行为进行表征。在低温下的三点弯曲实验中，材料发生脆性断裂。然而，当应力三轴度较低时，在液氮温度下BCC钢材仍然可以发生显著塑性变形，甚至单轴拉伸的延展性显著优于室温条件（图1）。尽管发生了大量塑性变形，解理断裂仍然是低温缺口拉伸实验中的主要断裂机理。随着应力三轴度的进一步降低，韧性剪切断裂机制会被触发。
此外，采用有限元模拟的方法，可以得到样品在变形过程当中内部应力状态的分布以及应力和应变场的变化（图2）。最后，结合对液氮温度下不同样品的失效机制的分析，提出了一个统一的断裂准则。这个准则不仅可以描述低温下BCC金属在不同应力状态下塑性形变的显著差异，同时可以解释应力状态引起的材料断裂机制的转变行为（图3）。这个准则不仅适用于BCC钢材，同样适用于工程应用中的许多其他脆性，准脆性材料。本研究进一步揭示应力状态对于材料的断裂行为的重要影响，并为提高材料的低温塑性及韧性提供理论指导。
图1低温断裂实验样品及实验结果。
图 2 断裂准则（a）在断裂应变，应力三轴度及罗德角的三维空间；（b）断裂应变与应力三轴度的关系；（c）在应力三轴度与罗德角二维空间的投影。
图3低温统一断裂准则及其在四种典型加载应力状态下的示意图。
论文第一作者为德国亚琛工业大学申富蕙博士，合作者包含亚琛工大Münstermann教授，通讯作者为芬兰阿尔托大学连军贺助理教授（https://research.aalto.fi/en/persons/junhe-lian）。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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