基于局部概率斷裂力學(xué)方法對裂紋尖端約束效應(yīng)的研究.pdf

1、本文從微觀上對材料的斷裂機理及斷裂過程進行了探討，并分析、總結(jié)了以往對斷裂過程的試驗觀測及相關(guān)的研究結(jié)果。這些結(jié)果表明低合金鋼斷裂的過程為：(1)脆性微粒的滑移產(chǎn)生了微裂紋；(2)在一定的局部應(yīng)力狀態(tài)下，微裂紋沿著晶面擴展，穿過微粒與晶粒的交界面；(3)具有晶粒尺寸大小的裂紋繼續(xù)擴展，穿過晶粒與晶粒的交界面。這三個斷裂階段的發(fā)生條件是不一樣的，在特定的溫度下，有一個階段占主導(dǎo)地位。溫度不僅對斷裂韌度有影響，也會使斷裂的主要階段發(fā)生改變。

2、 材料的局部斷裂現(xiàn)象需用局部斷裂力學(xué)方法加以研究，刻畫這些試驗現(xiàn)象的模型主要有Bermin模型以及多障礙模型。Bermin模型建立在最弱鏈理論的基礎(chǔ)上，能夠有效描述斷裂的隨機規(guī)律。 對于同樣的低合金鋼而言，面內(nèi)約束的降低會引起材料斷裂韌度的提高。文中采用ASTM E1921-05描述的方法，擬合A533B鋼的深裂紋試樣的斷裂韌度主曲線以及5％與95％失效概率曲線；采用Bermin模型描述裂紋尖端局部區(qū)域的力學(xué)狀態(tài)與失效概

3、率之間的關(guān)系。根據(jù)有限元計算結(jié)果分析了Weibull應(yīng)力隨J積分的變化關(guān)系，結(jié)果表明：(1)對于深裂紋(a/W=0.5)，當(dāng)J積分值超過60 N/mm后，Weibull應(yīng)力與J<'2>逐漸偏離了線性關(guān)系；(2)對于淺裂紋(a/W=0.075)，當(dāng)J積分值很小的時候(≈10 N/mm)，Weibull應(yīng)力與J<'2>完全偏離了原來的線性關(guān)系，并轉(zhuǎn)化為另一種線性關(guān)系。基于小范圍屈服條件下的主曲線方法不適用于淺裂紋試樣。根據(jù)這些數(shù)值分析結(jié)果，

4、本文提出了一類用于預(yù)測淺裂紋試樣斷裂韌度的方法，預(yù)測的結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)相比是吻合的。 試樣的斷裂韌度不僅受試樣面內(nèi)尺寸的影響，也受試樣厚度尺寸影響。傳統(tǒng)處理厚度與斷裂韌度的方法是假設(shè)K<'4><,IC>B為一常數(shù)。本文通過有限元分析了三維斷裂試樣的裂紋尖端應(yīng)力場，并且進行了Weibull應(yīng)力的分析，研究結(jié)果表明：裂紋尖端的應(yīng)力場從中間的平面應(yīng)變狀態(tài)逐漸過度到自由面上的平面應(yīng)力狀態(tài)；中間面上的J積分最大，往自由面靠近，J積分減小，其

5、曲線的分布情況與斷裂后裂紋的痕跡是相似的；中間平面上的Weibull應(yīng)力最大，往兩邊逐漸減??；對于不同厚度的試樣，Weibull應(yīng)力隨J積分呈線性變化規(guī)律，變化的相關(guān)系數(shù)隨厚度的增加而減小，并逐漸趨近于一個穩(wěn)定的值——平面應(yīng)變條件下的情形。相關(guān)的預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相比也是吻合的。與傳統(tǒng)的描述約束效應(yīng)的方法相比，本文提出的方法不僅可以應(yīng)用于斷裂試樣的分析，也適應(yīng)于任何含裂紋的低合金鋼構(gòu)件的斷裂分析，并且是有效的。這為工程上的應(yīng)用提供了可能