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金属材料的韧性断裂过程一般要经历三个阶段,即在一定条件下,微孔洞的逐渐长大、慢慢形核以及最终聚合,这一转变过程导致了材料宏观裂纹的萌生和断裂。1975年,Gurson提出细观模型,后经Tvergaard和Needleman进一步修正,形成GTN细观损伤模型。但原Gurson细观损伤模型没有考虑不连续微孔洞的影响,不能预测孔洞之间的颈缩现象。因此,本文从数值积分算法着手,在原GTN细观损伤模型的基础上引入塑性极限载荷模型,研究材料的损伤演化及断裂失效过程。为了研究高导无氧铜(OFHC)材料在单轴拉伸条件下的断裂破坏过程,本论文进行了如下研究工作:1.基于Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)细观损伤模型的本构理论,根据向后Euler完全隐式积分算法,以及弹性预测-塑性校正方法,离散数值积分公式,更新应力应变关系,详细推导相应的一致切线刚度矩阵,提出数值算法的实现思路。以孔洞聚合时的临界孔隙率cf为桥梁,将塑性极限载荷模型和GTN细观损伤模型相结合。编写大型有限元软件ABAQUS/STANDARD的用户自定义材料子程序UMAT,实现修正的GTN细观损伤模型在有限元环境中的应用。2.利用高导无氧铜(OFHC)材料加工成的光滑和缺口圆棒试样,进行单轴拉伸试验,获取载荷-位移曲线。由光滑圆棒试样得到的真实应力-真实应变曲线,确定杨氏模量、初始屈服应变、屈服极限及强度极限;对于塑性屈服后的硬化部分,采用Ramberg-Osgood硬化准则进行拟合,确定硬化系数以及硬化指数。3.建立缺口圆棒试样的轴对称有限元计算模型,选用八节点轴对称缩减积分单元(CAX8R),采用嵌入了UMAT的ABAQUS软件进行计算。根据前人的研究经验及方法,并结合单轴拉伸试样的试验和数值预测结果,通过综合对比分析,最终确定修正的GTN细观损伤模型损伤参数。4.根据已确定的损伤参数,采用用户自定义材料子程序UMAT,实现修正的GTN细观损伤本构模型在有限元软件ABAQUS环境中的应用。对缺口圆棒试样,进行数值模拟断裂失效预测,预测结果与试验曲线基本吻合,验证了该模型的有效性,该方法的合理性和可行性。5.分析了裂纹萌生点的位置和扩展路线、应力三轴度沿着最小横截面的变化、以及断裂区损伤演化规律。研究结果发现,裂纹萌生点最早产生于缺口试样的中间位置,不久之后,载荷急剧下降;缺口圆棒试样的中间位置应力三轴度最高,而在自由边附近最低。这主要是因为,由于塑性变形的增大,孔洞体积分数也随之增加,当达到塑性极限载荷时,微孔洞开始聚合,孔洞体积分数由f变成f*,并急剧增大,当f*增加到一定程度时,缺口试样中间位置的裂纹开始萌生。裂纹萌生的加快和长大,造成微孔洞的急剧增大,促使载荷快速下降,材料的承载能力降低,当损伤程度积累到材料的极限值时,断裂失效现象产生。