斷裂與損傷力學(xué)發(fā)展與理論-資料下載頁(yè)
2025-06-27 15:51本頁(yè)面
【正文】 裂數(shù)口的漸增，材料疲勞斷裂會(huì)有纖維拔出現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)，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(qiáng)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?jiàn)的。4） 陶瓷基復(fù)合材料 陶瓷材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度及耐腐蝕性好的特點(diǎn)，但其脆性大的弱點(diǎn)，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(qiáng)體，制成陶瓷基復(fù)合材料，可以大幅度降低脆性，增強(qiáng)韌性，提高其抗熱抗震性能，克服單一陶瓷材料對(duì)裂紋敏感性高 和易于斷裂的致命弱點(diǎn)。陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用和即將實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域有刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、能源構(gòu)件等。利用“界面控制”疲勞機(jī)理同樣可以解釋碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料中的“疲勞強(qiáng)化”現(xiàn)象。陶瓷基復(fù)合材料在制作過(guò)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(guò)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(jī)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(duì)象，其結(jié)果可用于高強(qiáng)鋼和厚截面中強(qiáng)鋼（尤其工作溫度較低時(shí)）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(guò)對(duì)玻璃等完全脆性材料的斷裂強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為：其實(shí)際斷裂強(qiáng)度大大小于理論強(qiáng)度(實(shí)測(cè)值僅為理論值的1/10~1/1000)，這是因?yàn)橛幸欢ù笮×鸭y存在，一次脆斷是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展(快速擴(kuò)展或加速擴(kuò)展)的結(jié)呆。并且從能量平衡的觀點(diǎn)建立了脆性斷裂判據(jù)，即裂紋體的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的判據(jù)。設(shè)裂紋擴(kuò)展a需要增加的表面能為W，也就是相當(dāng)于把裂紋撕開(kāi)a時(shí)外力作的功，在此過(guò)程中由于裂紋擴(kuò)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(dāng)裂紋擴(kuò)展單位面積所釋放的彈性變形能剛好大于裂紋擴(kuò)展單位面積所吸收的表面能時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，由于失穩(wěn)擴(kuò)展的速度很快，可認(rèn)為與外界沒(méi)有能量的交換，故得斷裂判據(jù)為: (11)式中:為裂紋擴(kuò)二單位面積時(shí)裂紋體彈性變形能減小量，稱為能量釋放率，又稱為裂紋擴(kuò)展力，用G表示，其單位是公斤/毫米；為裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)所吸收的表面能，稱為裂紋擴(kuò)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(duì)于無(wú)限大平板，有一長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)裂紋面變位類型為I型，故在下角中寫上I，以為標(biāo)記): （平面應(yīng)力） （平面應(yīng)變） 從而由( 22 )式可得出有長(zhǎng)為2a的裂紋時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。(2) 伊爾文—奧羅文(IRWINpROWA)修正理論格里菲斯理論是針對(duì)脆性材料提出的。伊爾文—奧羅文通過(guò)對(duì)金屬材料的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展前，在裂紋尖端總有塑性變形存在，指出裂紋擴(kuò)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(duì)于高強(qiáng)鋼，后者比前者也大三個(gè)數(shù)量級(jí)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(duì)裂紋擴(kuò)展的主動(dòng)作用，又稱為裂紋擴(kuò)展力。裂紋擴(kuò)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(duì)于不同的情形則有不同的表達(dá)式，但均正比于。裂紋擴(kuò)展阻力Gc，它是材料的一種固有屬性，是一個(gè)材料常數(shù)，故又稱為斷裂韌性。G表達(dá)式通過(guò)計(jì)算得到，Gc可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。有此二者，即可用(22 )式判定裂紋體是否會(huì)發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)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(kuò)展的結(jié)果)，而且對(duì)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(cè)定及計(jì)算方面的原因)，目前一般多用下節(jié)描敘的K判據(jù)進(jìn)行裂紋體的斷裂分析。2） 應(yīng)力強(qiáng)度因子理論伊爾文于一九五七年通過(guò)對(duì)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(chǎng)的分析，提出了應(yīng)力強(qiáng)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(chǎng)伊爾文利用維斯特加爾特(WESTERGAARD)研究裂紋問(wèn)題所采用的復(fù)變函數(shù)作為應(yīng)力函數(shù)的方法，對(duì)無(wú)限大平板在均勻拉伸應(yīng)力場(chǎng)中，有一個(gè)長(zhǎng)為2a的穿透板厚的裂紋，裂紋尖端附近應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)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(dá)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(diǎn)的極座標(biāo)。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(chǎng)，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(xiàng)(如r0，r1/2，r3/2，r2/6 等項(xiàng))。當(dāng)r0時(shí)，應(yīng)力分量，均趨于無(wú)窮大，于是裂紋尖端為應(yīng)力場(chǎng)的奇異點(diǎn)。公式( 2 9)表示應(yīng)力場(chǎng)有Y1/2階奇異性。均有因子表達(dá)裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度，如值增大一倍，則各點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)弱程度的因子，簡(jiǎn)稱應(yīng)力強(qiáng)度因子。
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