裂纹分叉原因分析及分叉角的预测

论文摘要

随着现代工业的发展,断裂力学被越来越广泛地用来分析和解决各种工程实际问题。在现有的断裂理论中,常认为裂纹沿裂纹延长线扩展,各种断裂判据(如G判据和K判据)也是建立在裂纹沿直线扩展的基础之上。然而,裂纹的二次断裂的现象被大多数研究人员所忽略。二次断裂现象是指：裂纹在沿直线扩展之后出现的方向改变的现象,如裂纹的分叉(—<)和两种折弯形式((?))、((?))等。本文旨在分析裂纹分叉的原因以及裂纹分叉带来的止裂作用；解释了二次断裂现象较少被观察到的原因；预测了裂纹的分叉角和折弯角；计算了裂纹分叉和折弯时临界裂纹长度；提出了预测二次断裂之后裂纹走向的方法,并对于文献中观察到的二次断裂形式进行总结。本文首先从能量释放率的角度研究裂纹分叉和折弯的原因,应用裂纹沿能量释放率最大方向扩展的物理机制,计算出Ⅰ型裂纹的分叉断裂韧性KICb,以及折弯断裂韧性KICk等与Ⅰ型裂纹平面应变断裂韧性KIC之间的关系,解释了Ⅰ型裂纹通常先经历沿直线扩展,再经历分叉或折弯的原因,并且从理论上预测了裂纹在理想条件下分叉角和折弯角；然后,从实验的角度验证了所得结论KICb≈1.3IC,分叉角α≈65。的正确性；此外,本文还从裂纹分叉使裂尖应力强度因子减小并使材料韧性强化的角度分析了裂纹分叉的止裂作用,得出分叉具有较为重要的止裂作用,而折弯对于裂纹的止裂贡献不大的结论；本文还计算了裂纹分叉和折弯现象发生时主裂纹的临界长度,从而解释了二次断裂现象较少被发现的原因；此外,本文还针对裂纹在分叉或者折弯之后裂尖的走向问题,指出了问题的难点所在,提供了具体的分析方法和研究思路；最后,整合了现有资料中出现的裂纹分叉及折弯的具体实例,分析了已观察到的裂纹分叉角和折弯角与本文的计算结果有一定误差的原因,并针对不同原因提出相应的修正方案等。在工程上对于预测裂纹是否会分叉,以及分叉的角度和裂尖的走向等方面具有一定实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究意义
• 1.1.1 裂纹分叉理论的工程背景
• 1.1.2 研究裂纹分叉和折弯的意义
• 1.2 国内外裂纹分叉理论研究现状
• 1.3 现有的公认的断裂判据及应用范围
• 1.3.1 线弹性断裂理论
• 1.3.2 弹塑性断裂理论
• 1.3.3 G判据与K判据和J判据的关系
• 1.4 本课题主要研究内容
• 1.4.1 本课题主要内容
• 1.4.2 本课题的特色与创新之处
• 第2章 Ⅰ型裂纹分叉的原因分析
• 2.1 已有的裂纹分叉的原因分析
• 2.2 应用的模型
• 2.2.1 边界移动的能量释放率模型
• 2.2.2 边界开裂的能量释放率模型
• 2.2.3 裂纹分叉、折弯时裂纹尖端的几何模型
• 2.3 能量释放率的计算
• 2.3.1 裂纹沿直线扩展的能量释放率的计算
• 2.3.1.1 积分路径的选择
• 2.3.1.2 具体计算过程
• 2.3.2 裂纹分叉的能量释放率的计算
• 2.3.2.1 积分路径的选择
• 2.3.2.2 具体计算过程
• 2.3.3 第一种裂纹折弯的能量释放率的计算
• 2.3.3.1 积分路径的选择
• 2.3.3.2 具体计算过程
• 2.3.4 第二种裂纹折弯的能量释放率的计算
• 2.3.4.1 积分路径的选择
• 2.3.4.2 具体计算过程
• 2.4 裂纹扩展、分叉、折弯的物理机制
• 2.5 裂纹扩展、分叉、折弯的最大能量释放率及分叉角的计算
• 2.5.1 裂纹沿直线扩展的最大能量释放率及分叉角的计算
• 2.5.2 裂纹分叉的最大能量释放率及分叉角的计算
• 2.5.3 第一种裂纹折弯的最大能量释放率及分叉角的计算
• 2.5.4 第二种裂纹折弯的最大能量释放率及分叉角的计算
• 2.6 裂纹扩展、分叉、折弯的K断裂韧性分析与比较
• 2.6.1 裂纹沿直线扩展的K断裂韧性分析
• 2.6.1.1 平面应力问题
• 2.6.1.2 平面应变问题
• 2.6.2 裂纹分叉的K断裂韧性分析
• 2.6.3 第一种裂纹折弯的K断裂韧性分析
• 2.6.4 第二种裂纹折弯的K断裂韧性分析
• 2.6.5 裂纹扩展、分叉、折弯的K断裂韧性比较
• 2.7 本章小结
• 第3章 裂纹分叉的相关断裂力学试验
• 3.1 断裂力学实验
• IC的测试'>3.2 金属材料平面应变断裂韧度K_IC的测试
• 3.2.1 测试原理和方法
• 3.2.2 试样的形状选择
• 3.2.3 试件尺寸
• 3.2.4 裂纹制备
• 3.2.5 实验装置
• 3.2.6 实验步骤
• IC有效性判断'>3.2.7 K_IC有效性判断
• q'>3.2.7.1 计算载荷比及K_q
• q/δ_y）²'>3.2.7.2 计算2.5（K_q/δ_y）²
• 3.3 Sullivan的实验
• 3.3.1 实验目的
• 3.3.2 实验参数
• 3.3.3 实验结果
• 3.3.4 实验数据分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 裂纹分叉的止裂作用及相关应用
• 4.1 裂纹分叉和折弯的止裂效应
• 4.2 裂纹折弯与分叉的止裂效应的数值分析
• 4.2.1 裂纹分叉的几何模型
• 4.2.2 等效应力强度因子的计算
• 4.2.3 裂纹折弯时应力强度因子比值的计算
• 4.2.4 裂纹分叉时应力强度因子比值的计算
• 4.3 裂纹分叉和折弯对材料的韧性强化作用
• 4.4 裂纹的止裂作用的应用
• 4.5 本章小结
• 第5章 裂纹分叉后断裂行为预测及展望
• 5.1 分叉后裂纹的几何模型
• 5.2 分叉后能量释放率的计算展望
• 5.2.1 分叉裂纹应力强度因子的计算
• 5.2.2 分叉裂纹能量释放率的计算
• 5.3 本章小结
• 第6章 现有的二次断裂现象归纳与总结
• 6.1 文献中的二次断裂现象实例
• 6.2 误差原因分析及相关修正
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢