斷裂力學(xué)要點(diǎn)

1、理論強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度的關(guān)系金屬的斷裂（1）金屬斷裂的分類韌性斷裂剪切斷裂和微孔聚集斷裂（韌窩斷裂）脆性斷裂沿晶斷裂和解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂（2）斷裂的機(jī)制解理斷裂zener&stroh模型（位錯(cuò)塞積導(dǎo)致的應(yīng)力集中不能被塑性變形所松弛）、cottrell位錯(cuò)反應(yīng)模型（可動(dòng)位錯(cuò)反應(yīng)生成固定位錯(cuò)在晶界、攣晶界形成裂紋）沿晶斷裂晶界上連續(xù)或者不連續(xù)的脆性第二相、夾雜物或者雜質(zhì)元素在晶界的偏聚引起剪切斷裂金屬在切應(yīng)力下沿滑移面分離微孔聚集斷裂第二相粒子或者夾雜物與位錯(cuò)的交互作用導(dǎo)致微孔的形成、長(zhǎng)大、連接聚合斷裂的力學(xué)條件（1）從能量守恒的角度，可得出裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件平面應(yīng)力條件下：平面應(yīng)變條件下：（2

2、）用LEFM計(jì)算脆性材料裂尖的應(yīng)力，可知一點(diǎn)的應(yīng)力大小由應(yīng)力強(qiáng)度因子所K決定。因此可用應(yīng)力強(qiáng)度因子K值作為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力學(xué)判據(jù)，進(jìn)而提出斷裂韌度Kic或Kc的概念，并用來表征材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。21pscaE2）（2psc)(E2a212psca-1)(E2）（22psc-1)E2a）（CCIcaYK（3）對(duì)于韌性材料而言，由于裂尖存在塑性區(qū)，因此需要對(duì)Ki值進(jìn)行修正。A、當(dāng)塑性區(qū)尺寸遠(yuǎn)小于裂紋尺寸時(shí)；由mises屈服準(zhǔn)則可求出裂尖塑性區(qū)尺寸為： 由于應(yīng)力松弛的影響，塑性區(qū)的尺寸將會(huì)增大為：平面應(yīng)力 平面應(yīng)變2SI0K21r2SI2SI20K241K22-1r）（2SI0K1R2SI

3、0K221R修正后的應(yīng)力強(qiáng)度因子為B、當(dāng)塑性區(qū)尺寸較大時(shí)；可通過能量的判據(jù)（形變功差率）Jic和CTOD來作為裂紋啟裂的判據(jù)。0IraYK（4）兩判據(jù)之間的關(guān)系（5）缺陷構(gòu)件的安全設(shè)計(jì) 通過試驗(yàn)可測(cè)定材料的KIC和JIC，根據(jù)相應(yīng)的斷裂判據(jù)可計(jì)算出 和)2ln(secEa8sssc2ccEa21211KE1GJ2111KE1GJCca（6）在彈塑性情況下，Hutchinson-Rice-rosengren（ 哈欽森 -賴斯-羅森格倫）用EPFM求出裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變的解，即HRR奇異解，同時(shí)也證明了J積分同樣唯一決定這裂紋尖端彈塑性應(yīng)力，應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)度。疲勞斷裂1、靜態(tài)斷裂與疲勞斷裂的區(qū)別靜態(tài)

4、下：構(gòu)件具有小于臨界尺寸 的初始裂紋，只要其應(yīng)力不超過臨界應(yīng)力 ，裂紋是不會(huì)擴(kuò)展，構(gòu)件也不會(huì)斷裂的。動(dòng)態(tài)下：即使交變應(yīng)力低于 ，初始裂紋也會(huì)擴(kuò)展，當(dāng)裂紋長(zhǎng)大達(dá)到 ，形成了Griffith裂紋后，構(gòu)件會(huì)斷裂。2、在低于臨界應(yīng)力的交變載荷下裂紋的擴(kuò)展行為？ （1）靜態(tài)拉伸時(shí)，由于裂紋尖端的應(yīng)力奇異性，回導(dǎo)致裂紋的尖端發(fā)生塑性變形，裂尖的，位錯(cuò)會(huì)沿最有利的滑移面在最大切應(yīng)力方向上產(chǎn)生滑移，使裂紋張開，裂紋被拉長(zhǎng)。 但是由于應(yīng)力強(qiáng)度因子低于材料的斷裂韌度，裂紋不會(huì)擴(kuò)展。cccaca（2）但如果是交變載荷，當(dāng)卸載后，塑性區(qū)周圍的彈性區(qū)是不可逆的，不能恢復(fù)的，由此引起的彈性區(qū)和塑性區(qū)變形不同步，使的彈性區(qū)

5、給塑性區(qū)一個(gè)壓縮力，使得塑性區(qū)產(chǎn)生反向滑移，也使得裂尖閉合、鈍化。 同時(shí)，裂尖的拉伸與壓縮狀態(tài)，使得滑移帶的寬度增加，在裂尖前方會(huì)形成空穴，裂尖的延伸與空穴連接導(dǎo)致了裂紋的擴(kuò)展。3、疲勞壽命的估算有應(yīng)力-壽命法、應(yīng)變-壽命法、斷裂力學(xué)法，對(duì)于汽車彈簧、齒輪、傳動(dòng)軸等零件，在較低的應(yīng)力幅或者變幅下進(jìn)行工作時(shí)，零件只發(fā)生彈性變形，此時(shí)一般用S-N曲線表征材料的疲勞極限。但是S-N曲線有如下局限性：（1）沒有把疲勞裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展區(qū)別開來（2）沒有辦法揭示疲勞擴(kuò)展各階段的特征（3）沒有考慮材料中不同初始長(zhǎng)度裂紋對(duì)疲勞壽命的影響（4）沒有引入斷裂力學(xué)的計(jì)算方法，致使對(duì)零件的疲勞壽命難以定量估算影響裂紋

6、擴(kuò)展速率的因素（1）裂紋的長(zhǎng)度和應(yīng)力水平能影響裂紋的擴(kuò)展速率（2）應(yīng)力比R能影響裂紋的擴(kuò)展速率，隨著R值的增加，裂紋的擴(kuò)展速率增加（3）過載對(duì)裂紋的擴(kuò)展速率有較大的影響過載效應(yīng)適當(dāng)?shù)倪^載可以使裂紋擴(kuò)展停滯或者延緩，該現(xiàn)象可以通過過載塑性區(qū)理論進(jìn)行解釋，即過載時(shí)裂紋尖端形成塑性區(qū)從而阻滯了裂紋的擴(kuò)展。（4）在應(yīng)力因子幅值較大時(shí)，隨著加載頻率的減小，擴(kuò)展速率增大（5）隨著溫度的增加，裂紋的擴(kuò)展速率增大小裂紋問題的提出 根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值的概念，當(dāng) 時(shí)，裂紋不擴(kuò)展，對(duì)于自由表面生長(zhǎng)（單邊）裂紋，有 因此KthKa12. 1Ktha12. 1Kthht 當(dāng)應(yīng)力幅小于門檻應(yīng)力時(shí)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展，構(gòu)件不

7、會(huì)斷裂。 如果裂紋很短，門檻應(yīng)力超過疲勞極限，事實(shí)上門檻應(yīng)力不會(huì)超過疲勞極限。 如果以疲勞極限代替門檻應(yīng)力，則可以計(jì)算長(zhǎng)裂紋和短裂紋的臨界值。 因此，臨界值與疲勞極限和裂紋擴(kuò)展門檻值有關(guān)，對(duì)于高強(qiáng)度鋼而言，疲勞強(qiáng)度高，而裂紋擴(kuò)展門檻值低，故短裂紋的尺寸很小，基本為m級(jí)別，甚至小于晶粒尺寸。a12. 1Kthht20th0K25. 0a小裂紋的定義或分類 如果裂紋出現(xiàn)在試樣的缺口處，Dowling認(rèn)為裂紋的大小與缺口的塑性區(qū)尺寸為同一量級(jí)是，裂紋就為短裂紋，或者說整個(gè)裂紋被缺口的塑性區(qū)所包圍的裂紋為小裂紋。小裂紋的分類：（1）按照幾何特征分小裂紋和短裂紋小裂紋一般指表面裂紋，短裂紋指的是穿透裂紋

8、，兩者擴(kuò)展的大部分規(guī)律是類似的，不進(jìn)行嚴(yán)格的區(qū)分。（2）按照擴(kuò)展特性的主導(dǎo)因素微觀組織小裂紋（MSC）裂紋尺寸與微觀組織尺寸相當(dāng)，小裂紋的生核和早期擴(kuò)展受到微觀組織的控制物理小裂紋（PSC） 12mm的裂紋，受缺口高應(yīng)變的力學(xué)參數(shù)所控制。力學(xué)小裂紋裂紋尺寸與塑性區(qū)尺寸相當(dāng)小裂紋的萌生和擴(kuò)展 裂紋核的生成，之后逐漸形成微裂紋、小裂紋、大裂紋，因此疲勞斷裂可分為四個(gè)階段。（1）裂紋成核階段裂紋成核，必然存在裂紋源。裂紋源包括a、金屬擠入和擠出形成的滑移帶、攣晶界和晶界 b、夾雜物和第二相（2）微觀裂紋擴(kuò)展階段（3）宏觀裂紋擴(kuò)展階段（4）最后斷裂階段小裂紋的擴(kuò)展特性 小裂紋的擴(kuò)展具有與長(zhǎng)裂紋不同的規(guī)

9、律（1）小裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度門檻值低于長(zhǎng)裂紋的門檻值 解釋為“裂紋的閉合效應(yīng)”引起，并且閉合的機(jī)制包括腐蝕環(huán)境下的氧化物閉合機(jī)制和裂紋尖端粗糙度變化引起的閉合效應(yīng)。 在由長(zhǎng)裂紋試驗(yàn)確定的門檻值 Kth以下, 小裂紋仍然能擴(kuò)展 。如果使用由長(zhǎng)裂紋試驗(yàn)得到的近門檻值裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)來估算小裂紋階段的使用壽命 ,則會(huì)導(dǎo)致偏于危險(xiǎn)的壽命估算結(jié)果 。小裂紋的擴(kuò)展特性（2）小裂紋的擴(kuò)展速率高于長(zhǎng)裂紋，并且在低于長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展門檻值的情況下小裂紋仍能擴(kuò)展。 對(duì)于初始較大的擴(kuò)展速率的解釋：A、短裂紋的塑性區(qū)較裂紋你長(zhǎng)度大B、小裂紋的擴(kuò)展只需要一個(gè)滑移系，而長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展需要幾個(gè)滑移系C、小裂紋受材料各向異性、晶界組織、夾雜物含量的影響D、閉合效應(yīng)引起 對(duì)于擴(kuò)展之后的速率遞減的解釋： 裂尖塑性區(qū)會(huì)形成殘余壓應(yīng)力，它會(huì)抵消一部分外加載荷，使得應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子隨后增大使得力疊加遠(yuǎn)大于殘余壓應(yīng)力后，擴(kuò)展速度又恢復(fù)到增加的狀態(tài)。閉合效應(yīng) 當(dāng)外加載荷還是使試樣處于拉伸狀態(tài)時(shí)，疲勞裂紋的表面就開始閉合，