斷裂與損傷力學(xué)發(fā)展與理論-資料下載頁
2025-06-27 15:51本頁面
【正文】 裂數(shù)口的漸增，材料疲勞斷裂會有纖維拔出現(xiàn)象出現(xiàn)，同時，疲勞載荷有弱化界而的作用，在低于疲勞極限的循環(huán)應(yīng)力作用下，材料可由強界而結(jié)合形式向弱界而結(jié)合形式轉(zhuǎn)化，斷裂方式也將轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹偎苄浴睌嗔?，因此“假塑性”疲勞斷裂模型在疲勞行為研究中是最為常見的?） 陶瓷基復(fù)合材料 陶瓷材料具有耐高溫、高強度、高硬度及耐腐蝕性好的特點，但其脆性大的弱點，限制其更廣泛的應(yīng)用。在陶瓷中加入多種陶瓷纖維、晶須、顆粒等增強體，制成陶瓷基復(fù)合材料，可以大幅度降低脆性，增強韌性，提高其抗熱抗震性能，克服單一陶瓷材料對裂紋敏感性高 和易于斷裂的致命弱點。陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)實際應(yīng)用和即將實際應(yīng)用的領(lǐng)域有刀具、滑動構(gòu)件、發(fā)動機構(gòu)件、能源構(gòu)件等。利用“界面控制”疲勞機理同樣可以解釋碳纖維增強陶瓷基復(fù)合材料中的“疲勞強化”現(xiàn)象。陶瓷基復(fù)合材料在制作過程中，為了避免碳纖維與陶瓷基體的熱膨脹系數(shù)不匹配而造成材料脆斷，往往在纖維預(yù)制體表而先沉積一層熱解碳，形成碳/碳界而過渡層，這種界而結(jié)構(gòu)與碳/碳復(fù)合材料是一樣的，因而“界而控制”疲勞機理模型在陶瓷基復(fù)合材料中同樣適用。 斷裂破壞基礎(chǔ)理論線彈性斷裂力學(xué)以理想的線性彈性裂紋體為對象，其結(jié)果可用于高強鋼和厚截面中強鋼（尤其工作溫度較低時）的結(jié)構(gòu)。線彈性斷裂力學(xué)是斷裂力學(xué)的理論基礎(chǔ)和重要組成部分。1） 能量平衡理論（一）格里菲斯(GRIFFITH)理論一九二0年格里菲斯通過對玻璃等完全脆性材料的斷裂強度的實驗研究認為：其實際斷裂強度大大小于理論強度(實測值僅為理論值的1/10~1/1000)，這是因為有一定大小裂紋存在，一次脆斷是裂紋失穩(wěn)擴展(快速擴展或加速擴展)的結(jié)呆。并且從能量平衡的觀點建立了脆性斷裂判據(jù)，即裂紋體的裂紋失穩(wěn)擴展的判據(jù)。設(shè)裂紋擴展a需要增加的表面能為W，也就是相當于把裂紋撕開a時外力作的功，在此過程中由于裂紋擴展，裂紋體的剛度減小，貯存于裂紋體內(nèi)的彈讓變形能減小了U。當裂紋擴展單位面積所釋放的彈性變形能剛好大于裂紋擴展單位面積所吸收的表面能時，裂紋失穩(wěn)擴展，由于失穩(wěn)擴展的速度很快，可認為與外界沒有能量的交換，故得斷裂判據(jù)為: (11)式中:為裂紋擴二單位面積時裂紋體彈性變形能減小量，稱為能量釋放率，又稱為裂紋擴展力，用G表示，其單位是公斤/毫米；為裂紋擴展單位面積時所吸收的表面能，稱為裂紋擴展阻力，又稱為斷裂韌性，用表示，單位亦是公斤/毫米。因此，公式11可表示為 G (22)對于無限大平板，有一長度為2a的穿透裂紋，在單向拉伸下受均勻拉應(yīng)力a的作用，一般稱為格里菲斯裂紋。按單位厚度考慮。格里菲斯利用英格里斯(Ihglis)的彈性解得到由于形成長為2a的裂紋彈性變形能的減少量為： （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）式中:E為楊氏模量，v為泊桑比。設(shè)材料的單位面積的自由表面能為r，則長為2a的裂紋上下表面的總的自由表面能為: W=4ar代入(21)、（22)式，得(因此時裂紋面變位類型為I型，故在下角中寫上I，以為標記): （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變） 從而由( 22 )式可得出有長為2a的裂紋時的斷裂應(yīng)力(臨界應(yīng)力)為: （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）或在均勻拉應(yīng)力時的臨界裂紋尺寸為: （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）此理論為脆性材料的實驗所驗證。(2) 伊爾文—奧羅文(IRWINpROWA)修正理論格里菲斯理論是針對脆性材料提出的。伊爾文—奧羅文通過對金屬材料的實驗研究發(fā)現(xiàn)，裂紋失穩(wěn)擴展前，在裂紋尖端總有塑性變形存在，指出裂紋擴展所釋放的彈性變形能不僅支付于表面能的增加，而且大量地為塑性變形所吸收，稱為塑性變形功。既使對于高強鋼，后者比前者也大三個數(shù)量級以上。相比之下，完全可以略去表面能的消耗。并提出在公式(2~4)中用塑性變形功代替表面能，用r。表示塑性變形功，即有 W=4a =4 (三)脆性斷裂的G判據(jù)根據(jù)能量平衡理論得出了脆性斷裂判據(jù)(22)式。其中的能量釋放率G，根據(jù)其對裂紋擴展的主動作用，又稱為裂紋擴展力。裂紋擴展力G取決于裂紋體的形狀、大小和它的承載方式、裂紋的位置、形狀、尺寸等，公式(25)只給出圖21所示的結(jié)果，對于不同的情形則有不同的表達式，但均正比于。裂紋擴展阻力Gc，它是材料的一種固有屬性，是一個材料常數(shù)，故又稱為斷裂韌性。G表達式通過計算得到，Gc可由實驗測定。有此二者，即可用(22 )式判定裂紋體是否會發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴展—脆性斷裂。這一理論不僅指出了產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷的原因(宏觀裂紋失穩(wěn)擴展的結(jié)果)，而且對斷裂給出了新的表征參量，從而定量地得出了斷裂判據(jù)，所以使它成為斷裂力學(xué)的理論基礎(chǔ)。但是由于種種原因(如表面能的測定及計算方面的原因)，目前一般多用下節(jié)描敘的K判據(jù)進行裂紋體的斷裂分析。2） 應(yīng)力強度因子理論伊爾文于一九五七年通過對線彈性裂紋體理想裂紋(裂紋尖端曲率半徑p 0)尖端附近應(yīng)力應(yīng)變場的分析，提出了應(yīng)力強度因子理論。它是線彈性斷裂力學(xué)的核心部分。(一)裂紋尖端附近的應(yīng)力場伊爾文利用維斯特加爾特(WESTERGAARD)研究裂紋問題所采用的復(fù)變函數(shù)作為應(yīng)力函數(shù)的方法，對無限大平板在均勻拉伸應(yīng)力場中，有一個長為2a的穿透板厚的裂紋，裂紋尖端附近應(yīng)力應(yīng)變場進行了分析，得出裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力分量和位移分量的表達式為: (29) （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變）W=0式中：u、v、w分別為X、Y、Z方向的位移；r、為所研究點的極座標。E、v分別為材料的楊氏模量、剪切彈性模量和泊松比。的量綱為公斤/毫米2/3由于研究范圍只限于裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力場，即在r很小的范圍內(nèi)，所以在( 2 9)式中忽略了r的高階項(如r0，r1/2，r3/2，r2/6 等項)。當r0時，應(yīng)力分量，均趨于無窮大，于是裂紋尖端為應(yīng)力場的奇異點。公式( 2 9)表示應(yīng)力場有Y1/2階奇異性。均有因子表達裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力場的強弱程度，如值增大一倍，則各點應(yīng)力均增大一倍，但分布規(guī)律不變。故稱為I型裂紋的應(yīng)力場強弱程度的因子，簡稱應(yīng)力強度因子。
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