《固体力学第八章》PPT课件

《《固体力学第八章》PPT课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第三部分弹性断裂力学基础白瑞祥教授大连理工大学固体力学系列课程——固体力学（二）3.1引言近三十年多年来，建立在Griffith理论上和Irwin理论基础上的线弹性断裂力学（简写LEFM）得到充分发展，建立了较完整的体系，在裂纹体的脆性断裂、疲劳裂纹扩展和应力腐蚀断裂等方面得到了成功的应用。另一方面LEFM的应用又受到很大的限制。在金属裂纹尖端，由于高度的应力集中，总会存在塑性区。除了裂纹尖端塑性区比裂纹尖端塑性区尺寸已接近或显著超过裂纹尺寸，LEFM准则不再适用，而必须采用弹塑性裂纹准则。按照裂纹前缘的塑性变形程度，大致

2、可以分为四种情况:1.，裂纹尖端的塑性区尺寸趋于零，这是LEFM适用的情况。2.，屈服扩大，但屈服区还没有达到构件边界，屈服区尚被外面的弹性区所包，它的初期，塑性区尚足够小，称为小范围屈服，经修正仍可采用LEFM准则，后期称为弹塑性断裂情况，LEFM准则不再适用，必须采用弹塑性断裂力学准则。3.，屈服区扩大到构件边界，侧向约束消失，这种情况称做大屈服断裂，(对于韧性足够好的材料，有可能在发生裂纹断裂以前先发生韧性的塑性极限强度破坏)。4.，由于外加应力大于屈服应力。裂纹被广大的屈服区所包围，这种情况称作全面屈服。破坏可能由

3、于裂纹尖端开始的断裂引起的，也可能是发生塑性极限强度破坏。其中，是裂纹尖端处于小范围内应力；是韧带处应力；为屈服应力；为远处应力。对于弹塑性、大屈服、全面屈服断裂问题必须采用弹塑性断裂力学（又称作屈服后断裂力学,不要与上述第二种类型的弹塑性断裂情况混淆）准则。近些年来，由于断裂力学知识的普及，工程师不再单纯追求高强度材料，而采用兼顾韧性好的材料，以及由于注意工艺和检测，一般较少出现大裂纹，而更多存在小裂纹，这些都减少了LEFM的适用范围，更显出屈服后断裂力学的重要性。屈服后断裂现象所表现出来的力学特征与LEFM有很大的不同

4、。裂纹尖端会产生明显的钝化，裂纹在开裂以后要经过一段稳态扩展过程（亚临界扩展）后才失稳断裂。在亚临界扩展过程中，扩展区的材料发生弹性卸载，并引起扩展区周围区域的非比例加载，在外面的区域才是裂纹扩展影响很小的比例加载区域。这种屈服后断裂现象的复杂性，给屈服后断裂力学的分析带来很大困难。弹塑性断裂力学的任务有两点：1.建立判断屈服后断裂发生的准则a)找出能描述屈服后应力、应变场的某个力学参量，建立该参量与应力（或应变e）和裂纹长度a之间的关系式。b)测出材料的屈服后断裂韧性，并要求该值为材料常数。有了上面两方面的工作，就可以建

5、立断裂准则。2.用小试样在屈服后条件下测定KIC中、低强度钢等韧性材料制造的大型构件，由于尺寸大、壁厚，会使其中的裂纹处于平面应变状态，所以尽管材料韧度高，但也可能发生脆性断裂，这就需要测定KIC值。测试时，为保证平面应变条件，就需要试件尺寸很大。弹塑性断裂力学准则主要有两个：1.裂纹张开位移准则（简称COD准则）2.J积分准则应用和问题:1.它们已较广泛地用于压力容器和焊接结构中，成为安全设计的重要手段，它们主要用于评定裂纹的启裂。2.较之LEFM，弹塑性断裂力学还是不完善的，基础不是很牢固的，许多认识尚且不统一，它至今

6、还是处于发展、完善过程中，其中包括理论方面，也包括测试和工程应用方面。3.2裂纹张开位移（COD）裂纹顶端张开位移COD：CrackOpeningDisplacement或CTOD：CrackTipOpeningDisplacement特点1.由于采用了约定的定义和间接测定方法以及一些经验关系，能够简单而有效地解决实际问题，因此得到了工程上的应用2.COD不是一个直接的严密的应力、应变场参量，并且存在COD定义本身的确定尚未统一以及难以直接测定等困难。3.2.1COD准则和COD定义当裂纹尖端附近处于屈服状态时，产生大的塑

7、性变形量。威尔士（Wells）在1965年根据大量实验提出，可以用裂纹尖端的COD（用表示）作为表征塑性应力、应变场的单一参量，当此参量达到材料的某一个临界的时，就会产生开裂。该准则可以表达为：（3－1）裂纹张开位移的定义：1.弹塑性区交界线与裂纹表面交点处的张开位移.2.对于弯曲型加载试件（如三点弯曲试件，加载后裂纹张开时，距离顶端稍远处裂纹的两表面若仍是平面），将裂纹表面AB线向前延长，与顶端D的垂直切线相交于E，该定义用于三点弯曲试件的间接测定的中。3.由Rice建议的在变形后的裂纹尖端点处作一等边直角三角形，它与裂

8、纹两表面交点处的位移.准则要在实际中应用，必须解决两方面的问题:1.能够用小试件方便可靠地测出材料稳定的断裂韧性，即材料的临界2.找出与外载荷裂纹尺寸及构件尺寸之间的函数关系。实验证明，开裂点的值与试件几何尺寸、加载方式等无关，可以看作是材料常数，但失稳扩展点的不是材料常数。所以，建立的COD准则只能用