斷裂力學基礎(學習筆記)-褚武揚(共13頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上第一章 斷裂力學的基本概念宏觀裂紋的產(chǎn)生:1) 制造時存在而無損檢測漏檢：大型鍛件容易出現(xiàn)白點裂紋，夾雜裂紋；高強度鋼易出現(xiàn)焊接裂紋2) 構件中原來存在的較小裂紋，在周期性的工作應力（疲勞應力）下逐漸發(fā)展長大的；3) 腐蝕性價值中工作的構件，在應力和介質聯(lián)合作用下，小裂紋也會逐漸發(fā)展成宏觀裂紋；總之構件內部存在的宏觀裂紋是造成構件低應力脆斷的直接原因。材料力學：研究不含宏觀裂紋構件的強度、剛度和穩(wěn)定性；斷裂力學：研究含有宏觀裂紋構件的安全性裂紋：夾渣、氣孔、未焊透、大塊夾雜；斷裂韌性：只與材料本身、熱處理、加工工藝有關；是材料抵抗低應力脆性破壞的韌性參數(shù)是材料性能，裂

2、紋形狀大小一定時，越大，使裂紋快速擴展導致構件脆斷所需應力也越高，構件阻止裂紋失穩(wěn)擴展的能力就越大。應力場強度因子：斷裂韌性是應力強度因子的臨界值，是裂紋前端應力場強度的度量，它和裂紋大小、形狀以及外加應力都有關斷裂力學的應用: 形狀因子是和橢圓軸比有關的橢圓積分，可查手冊獲得；第二章 線彈性斷裂力學彈性力學的某些概念：應力分量：3應變分量：3胡克定律和廣義胡克定律：平面應力：z方向總力和為0，x,y平面有正應力和切應力，這三個應力沿z軸（厚度方向）都一樣，與z無關，僅是x,y的函數(shù),這種應力狀態(tài)稱為平面應力狀態(tài)。當板很薄時，可認為是平面應力狀態(tài)。體內應變分量只有三個，厚度方向認為沒有應變，這

3、種應變狀態(tài)稱為平面應變狀態(tài)。對試件來說，厚度很小就是平面應力狀態(tài)；厚度很大就是平面應變狀態(tài)；厚度中等，兩外表面不受力屬于平面應力狀態(tài)；中間大部分地區(qū)由于受兩端面的約束，沿厚度方向不能變形，故屬于平面應變狀態(tài)；三種裂紋組態(tài)：張開型裂紋(I)：外加正應力和裂紋面垂直；à最容易引起低應力脆斷；滑開型裂紋(II)：外加剪應力和裂紋面平行；撕開型裂紋(III)：外加剪應力與裂紋面錯開；裂紋頂端附近應力場復變函數(shù)求解；塑性區(qū)及其修正：裂紋尖端應力不可能無限大，材料一旦屈服，彈性規(guī)律就失效，若屈服區(qū)很小周圍仍然是彈性區(qū)，經(jīng)修正線性彈性斷裂力學仍然有效；屈服判據(jù)：最大剪應力判據(jù)（屈雷斯加判據(jù)）：在復

4、雜加載條件下，當最大剪應力等于材料的極限剪應力（即單向拉伸剪應力）時，材料就屈服；形狀改變能判據(jù)（米塞斯判據(jù)）：當復雜應力狀態(tài)的形狀改變能密度，等于單向拉壓屈服時的形狀改變能密度時，材料就屈服；我們把塑性屈服區(qū)中的最大主應力叫有效屈服應力有效屈服應力（最大主應力）和的比值叫做塑性約束系數(shù)L平面應力裂紋：平面應變裂紋：=3，因為前后表面是平面應力狀態(tài)，裂紋鈍化效應，L=1.5-2.0I型裂紋：一般取1.67裂紋前端屈服區(qū)大小平面應變屈服尺寸遠比平面應力屈服尺寸要?。磺^(qū)內應力松弛的結果將導致屈服區(qū)進一步擴大應力松弛后塑性區(qū)擴大了一倍；塑性區(qū)修正：裂紋擴展的能量率裂紋表面能為，上下兩個表面能為；

5、金屬材料裂紋擴展前要產(chǎn)生塑性變形，裂紋擴展單位面積塑性變形所消耗的能量為：，實驗表明，一般；總起來，裂紋擴展單位面積所需要消耗的能量（裂紋擴展的阻力）表示：設裂紋擴展單位面積系統(tǒng)提供的動力為，要使裂紋擴展必須：設系統(tǒng)能量為，裂紋擴展面積為，需要消耗的能量為；系統(tǒng)勢能下降極限條件下：就是裂紋擴展單位面積系統(tǒng)能量的下降率（系統(tǒng)能量的釋放率），裂紋擴展的動力；單位厚度B=1: 就是裂紋擴展單位長度系統(tǒng)能量的下降率，稱裂紋擴展力；一般情況下，滿足下式，裂紋就能擴展： 在裂紋失穩(wěn)擴展，從而構件斷裂的臨界狀態(tài)，裂紋擴展單位長度（或單位面積）所需要提供的能量（它等于擴展所消耗的能量）叫做臨界裂紋擴展能量改變

6、率，用表示。等于臨界裂紋擴展阻力，越大越大，材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力越大，也叫材料的斷裂韌性；線彈性理論可證明：阻力曲線和斷裂判據(jù)當裂紋開始擴展時分別測出、，做出隨的變化曲線，即阻力曲線；裂紋擴展失穩(wěn)的臨界條件是動曲線和阻力曲線相切：一般不能用裂紋剛開始擴展的開裂點作為裂紋失穩(wěn)擴展的臨界點，而應當用阻力線和動力線的切點作為臨界點；臨界點對應的叫材料的斷裂韌性，用或表示：平面應變的斷裂判據(jù)：一般不從阻力曲線的切點來定臨界點，而是用的點作為裂紋失穩(wěn)擴展的臨界點。平面應力的斷裂判據(jù)： 脆性材料不能產(chǎn)生塑性變形，實際斷裂應力遠低于理論斷裂應力；超高強度鋼的塑性功（）小于中低強度鋼（）；第三章 彈塑性

7、斷裂力學基礎對金屬材料來說，裂紋前端存在有屈服區(qū)（塑性區(qū)），其尺寸R與其他尺寸之比，如R/B、R/a、R/(w-a)等，很小就稱為小范圍屈服；J積分：J積分與積分路徑無關；J積分的能量率表達式：裂紋相差單位長度的兩個等同試樣的位能差；塑性變形的全量理論（漢基理論）：全量理論是塑性力學中用全量應力和全量應變表述彈塑性材料本構關系的理論，又稱塑性變形理論。塑性變形規(guī)律的理論有兩大類：1）在塑性狀態(tài)下仍是應力和應變全量之間的關系，即全量理論；2）在塑性狀態(tài)下是塑性應變增量（或應變率和應力及應力增量（應力率）之間的關系，即增量理論或流動理論）裂紋擴展意味著局部卸載；J積分作為小范圍屈服條件下彈塑性裂紋

8、開始擴展的判據(jù)是可行的；其公式也稱HRR理論（奇異）裂紋頂端張開位移CODD-M模型（帶狀屈服模型）在小范圍及大范圍屈服的條件下，用有限元法直接計算的結果表明，D-M模型的預測是足夠精確的；J積分與COD的聯(lián)系：=1.1-2.0，COD的減小因子COD判據(jù)的工程應用:鼓脹修正因子：塑性失穩(wěn)判據(jù)或流變應力判據(jù)：屈服斷裂的COD分析：標稱應變小于1，采用D-M模型；大于1采用實驗分散帶上限；第四章 斷裂韌性參數(shù)的測試平面斷裂韌性測試：三點彎曲試樣：加工方便，實驗測試簡單，一般采用此來測試；緊湊拉伸試樣；加工復雜，測試時要專門的夾具；優(yōu)點：省料；適合中強度鋼大試樣；軸類和圓盤鑄件；超高強度板材用表面

9、裂紋試樣；壓力容器和很多其他構件的斷裂源都是表面半橢圓裂紋；變形材料（軋材，鍛材）是各向異性的，材料的斷裂韌性和裂紋面的取向及其傳播方向有關。1，TL，第一個字母表示裂紋面法向，第二個字母表示裂紋面擴展方向；平面應力斷裂韌性測試：直接測量法、標定法、阻力曲線法、臨界J積分的測試確定開裂點的方法：聲發(fā)射法、電位法、電阻法、金相檢查法、渦流法臨界COD測試轉動因子的確定：查表取值；第五章 疲勞裂紋擴展裂紋在交變應力下的擴展特征在交變應力下工作的構件，即使最大工作應力低于屈服強度，經(jīng)長期運轉后首先在表面產(chǎn)生微觀裂紋，并逐漸擴展到臨界尺寸后，就會導致低應力脆斷，這種破壞稱為疲勞破壞；整個疲勞的過程就是

10、滑移-產(chǎn)生微裂紋-微裂紋連接-宏觀裂紋擴展直至斷裂；對一般鋼材：細化晶?？墒骨O限提高，從而疲勞極限提高；但不如加工工藝的效果明顯。噴丸強化、表面滾壓、及其他能使零件表面產(chǎn)生殘余壓應力和改善表面組織結構的工藝能明顯提高構件的疲勞極限；疲勞裂紋斷裂特征：兩個區(qū)域-疲勞裂紋發(fā)生發(fā)展區(qū)和快速斷裂區(qū)；宏觀特征：年輪、貝殼花樣、海灘特征高周疲勞的疲勞條痕：密排、有規(guī)則；低周疲勞的疲勞斷口：條痕稍寬、間距較大，通常不連續(xù)；缺口形成的疲勞裂紋的規(guī)律疲勞裂紋擴展機構：加載兩邊滑移(最大剪切力方向)-裂紋張開并拉長出現(xiàn)很多滑移面導致裂紋尖端鈍化，同時擴展-彈性區(qū)可恢復，對塑性區(qū)產(chǎn)生壓應力，方向滑移，使裂紋尖端

11、閉合而又銳化再鈍化在銳化疲勞裂紋擴展速率：設應力循環(huán)次后裂紋擴展量為（毫米），則應力沒循環(huán)一次裂紋的擴展量（毫米/周），在極限條件下，用微分表示：裂紋擴展門檻值疲勞裂紋擴展方程（派耳斯公式）：福爾門（Foreman）公式：疲勞裂紋發(fā)展初期適用的公式：應變疲勞如果在實驗中控制應變幅值恒定就稱為應變疲勞；應變疲勞一般在低頻（）下做實驗，也稱低周疲勞，其特點是應變幅值很高，最大應變接近屈服應變。因此裂紋擴展速率也高（），疲勞壽命也短（）。疲勞壽命估算：首先測出材質的斷裂韌性和裂紋發(fā)展速率（）就可以對疲勞載荷構件的使用壽命進行估算：比較合適的是按裂紋發(fā)展速率曲線的三個階段分別計算壽命影響的因素：平均應

12、力的影響：大量實驗表明，當一定時，隨應力比的增加而增加，應力比R的增大就是平均應力增大。R不僅控制，對門檻應力強度因子也有影響：R下降可使門檻值提高，裂紋發(fā)展速率下降，從而使構件的疲勞壽命提高。故在制造或修理工藝上往往在構件表面引入?yún)⑴c壓縮應力。通過表面滲碳、滲氮、滲鋁或外表面滾壓，內表面擠壓來獲得。噴丸強化是行之有效的方法。過載峰的影響：大量實驗表明：過載峰的出現(xiàn)將使隨后的裂紋發(fā)展速率明顯減慢à裂紋閉合理論過載峰卸載后在裂紋前端產(chǎn)生一個壓縮殘余應力會使裂紋閉合，這個壓縮殘余應力和一個殘余張開位移影響的其他因素：宜采用較低的分散帶；疲勞頻率的影響、實驗溫度和環(huán)境；的測試: a-N曲線

13、是測試關鍵；疲勞裂紋長度測量：讀數(shù)顯微鏡、放大鏡、電阻法、電位法；第六章 應力腐蝕當構件在特定的腐蝕介質中工作時，即使工作應力低于材料屈服應力，經(jīng)過一段時間后，構件也會發(fā)生突然的脆斷，稱之為滯后破壞，也稱應力腐蝕破壞。對高強度和超高強度材料尤為突出；一般來說，凡構件在使用或存放過程中，經(jīng)過一定的延滯時間后發(fā)生破壞的現(xiàn)象稱為滯后破壞。在應力和介質聯(lián)合作用下，裂紋形成和擴展的過程叫應力腐蝕；腐蝕是一種電化學過程，分陽極過程和陰極過程；應力腐蝕需要一定的拉伸應力和腐蝕介質；應力腐蝕機理：陽極溶解控制過程（吸氧反應）和陰極控制過程（放氫反應），即氫脆；原子氫通過擴散進入金屬內部，使金屬原子結合力下降，

14、基體氫化，或形成很脆的氫化物。這種以陰極放氫導致的滯后破壞稱為氫脆應力腐蝕臨界應力場強度因子一般，隨著材料強度級別的提高，的比值下降；材料斷裂韌性越高，其應力腐蝕臨界應力場強度因子越高；電化學能釋放率D越低，則越高；應力腐蝕裂紋擴展速率應力腐蝕構件的安全性和壽命估算超高強鋼在水介質中的應力腐蝕機理是氫脆；影響應力腐蝕的因素：介質（酸性更糟）、空氣的相對濕度、溫度、的測試：恒力試樣、恒位移試樣；第七章 裂紋的高速擴展和止裂很多材料性能是和材料的變形速率（即加載速率）有關的。當裂紋從低韌性的元件擴展到高韌性的元件時，由于阻力突然升高，有可能使裂紋停止擴展；裂紋的高速（動態(tài)）擴展時的能量平衡方程式：動態(tài)斷裂韌性與加載速率有關；裂紋高速擴展過程中動力遠大于阻力，其差值可用來使裂紋加速擴展也可以使裂紋分叉；加勁板中的止裂多層板和復合材料止裂第八章 工程構件KI估算簡介1）數(shù)學分析法-復變函數(shù)法，積分變換法2）近似計算法-邊界配置法、有限元法3）實驗標定法-柔度標定法4）實驗應力分析法-光彈性法對一些幾何形狀及受力狀況簡單的體內裂紋，可以用分析法或數(shù)值計算法獲得較精確的表達式，并已匯編成冊（應力強度因子手冊）第九章 提高斷裂韌性的途徑斷裂模型：塑性變形時應力-應變服從指數(shù)規(guī)律：克拉夫