断裂失效分析(二)

文摘   2024-10-21 06:42   安徽  
接着断裂失效分析(一),断裂力学用来研究含有裂纹的结构在外部载荷作用下的失效行为,就是研究裂纹尖端附近的应力、位移以及裂纹扩展规律,主要涉及应力强度因子、断裂韧度、裂纹扩展速率等问题。
1、应力强度因子(Stress Intensity Factor, SIF)

它描述了裂纹尖端附近的应力强度。根据构成裂纹上下两个面的相对位移,把裂纹扩展形式分成三种模式(I,II,III型)分别对应张开型、滑移型以及撕开型,如下图所示。

对于张开型(I),在垂直于裂纹面的拉应力作用下,两裂纹面外翻;对于移型(II型),在平行于裂纹面且垂直于裂纹前沿的剪切应力作用下,使裂纹面相对滑动,且滑动方向垂直于裂纹前沿;对于撕开型(III型),在平行于裂纹前沿的剪切应力作用下,使裂纹面相对错位滑动,且滑动方向平行于裂纹前沿。

在上述三种裂纹模式中,张开型(I)裂纹最常见,且最危险,下面主要讨论张开型(I)裂纹。对于张开型(I)裂纹,其一般公式为

其中,KI是Mode I的应力强度因子;σ是远场施加的应力;a是裂纹的长度;Y是与裂纹几何形状和边界条件相关的修正系数,其值取决于裂纹在结构中的位置和几何形状。如当裂纹位于半无限板边缘(边缘裂纹)时,Y=1.12;无限大板上存在一条长为2a的中心裂纹,且裂纹承受法向拉伸载荷时,Y=1。

2、断裂韧度(Fracture Toughness)

在实际工程结构中,几乎所有材料都存在一定的缺陷或微裂纹。当这些裂纹在外部载荷作用下扩展时,断裂韧度决定了材料是否能承受裂纹扩展而不会发生断裂。断裂韧度是材料在存在裂纹的情况下,抵抗断裂扩展的能力。材料的断裂韧度越高,表示其在裂纹存在的情况下,能够承受更大的应力。
它是一个材料固有的性质,表示材料在裂纹尖端所能承受的最大应力强度因子值。一般,脆性材料(如陶瓷和某些高强度钢)通常具有较低的断裂韧度,容易在裂纹存在的情况下发生断裂;韧性材料(如大多数金属和合金)通常具有较高的断裂韧度,能够在裂纹存在的情况下承受更大的变形和应力。

当外载荷引起的应力强度因 KI小于材料的 KIC时,裂纹通常是稳定的,不会扩展;当KI≥KIC时,裂纹会快速扩展,导致材料的,即为张开型(I)裂纹的断裂判定准则。

3、裂纹扩展速率(Crack Growth Rate)

裂纹扩展速率是指裂纹在材料中随着时间或循环载荷的增加而扩展的速度。它是研究裂纹在疲劳、应力腐蚀等环境条件下如何演变的重要参数,通常用于评估材料的使用寿命和安全性。

1)疲劳裂纹扩展

疲劳裂纹扩展是指在循环应力作用下,裂纹逐渐扩展的过程。疲劳裂纹扩展通常采用Paris定律来描述。对于材料在高周疲劳条件下的裂纹扩展,Paris定律用于描述裂纹扩展速率与应力强度因子范围 ΔK的关系,

其中,是疲劳裂纹扩展速率;C和m是与材料有关的常数,通常通过实验测定;ΔK是应力强度因子幅值,即裂纹尖端在最大和最小应力下的应力强度因子之差,ΔK=Kmax−Kmin

2)应力腐蚀裂纹扩展

应力腐蚀裂纹扩展是指材料在腐蚀环境和应力共同作用下裂纹扩展的过程。此类裂纹扩展速率通常与时间相关。

其中,是裂纹扩展速率;A和n是与材料和环境条件相关的常数;σ是作用在裂纹尖端的应力。

裂纹扩展分为三个主要阶段:初始阶段,裂纹扩展速率很低,裂纹的尖端塑性变形占主导,裂纹扩展较慢;稳态阶段,裂纹扩展速率与Paris定律成比例,裂纹扩展速率稳定增长;失效阶段,裂纹扩展速率急剧增加,最终导致断裂。此阶段应力强度因子接近材料的断裂韧度 KIC,裂纹扩展变得不稳定,通常伴随着材料的快速断裂。

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