含内部裂纹Q345钢在单轴拉伸作用下的破坏研究

摘要

裂纹的扩展是导致材料破坏的主要原因之一，当构件中含有多个裂纹时，其裂纹扩展会非常复杂。因此，对材料裂纹扩展方面的研究尤为重要。本文选用典型塑性材料Q345钢制成32组共96个含裂纹的矩形板试件，研究了试件在单轴拉伸作用下裂纹的扩展和串接行为，研究内容及相关结论主要有以下几个方面:
　　一、与无裂纹的光滑试件相比，带裂纹试件的荷载—位移曲线的屈服平台较短，但屈服荷载和极限荷载随裂纹长度的减少和角度的增加而增大;初始裂纹长度的增加与断裂所需能量的减少呈非线性关系。初始裂纹角度大于30°的试件屈服平台较为明显，90°试件与光滑试件的荷载—位移曲线基本相同，即沿拉伸方向的裂纹对试件破坏的影响很小。初始裂纹的角度对裂纹的扩展方向影响较小。内含单裂纹的相对位置对断裂所需的能量和起裂荷载影响较小。裂纹的起裂荷载随初始裂纹长度的减小和角度的增加而增大，初始裂纹起裂后继续扩展一段试件才达到极限荷载状态。裂尖周围的轴向应变和剪切应变随初始裂纹长度的增加而增大，45°和60°试件裂尖周围的剪切应变比其它角度的试件剪切应变大。
　　二、双裂纹试件的试验结果表明中，横向间距越大，极限荷载越大，且内含裂纹的极限荷载比边缘裂纹大。内含双裂纹比有边缘裂纹的双裂纹试件荷载位移曲线破坏阶段下降的快，且裂纹是否先串接会影响到试件破坏后期的承载力;若先串，则破坏后期的承载力相对较大。当两条裂纹的纵向间距达到20mm时，裂纹既有可能发生串接，也有可能发生不串接。若试件两条裂纹均为内含裂纹时，则纵向间距大于水平间距时裂纹不串接;若有一条裂纹为边缘裂纹，则当纵向间距大于或等于横向间距时，裂纹不串接。初始裂纹的横向和纵向间距对起裂荷载的影响较小，但中心裂纹比边缘裂纹的起裂荷载稍大。初始裂纹须发生较小扩展后试件才达到极限荷载状态。裂尖周围的轴向应变和剪切应变随裂纹横向间距的增大而减小，双裂纹两裂尖距离越近，轴向应变和剪切应变变化越快，边缘裂纹裂尖处的轴向应变比内含裂纹内外裂尖处的轴向应变都大。
　　三、基于含不同初始裂纹的几何模型，采用了几种常用的破坏准则和新提出的破坏准则进行了有限元模拟分析，模拟结果表明:新提出的破坏准则可以较为准确的模拟含裂纹Q345钢试件的裂纹扩展行为，裂纹的扩展和串接模式与试验结果非常接近，裂纹起裂荷载和试件的极限荷载预测值与试验值较接近。因此，新的破坏准则对于分析Q345钢等韧性材料的破坏行为具有很好的适用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 断裂力学的发展

1．3 断裂准则的发展

1．4 关于裂纹问题的研究现状

1．5 本文主要的研究内容

第二章 内含不同形式单裂纹试件的试验研究

2．1 引言

2．2 试验准备

2．2．1 试验材料的力学性能

2．2．2 试件的几何尺寸及加工

2．2．3 试验设备

2．3 单裂纹试件的荷载位移曲线及破坏分析

2．3．1 无裂纹的光滑试件

2．3．2 内含单裂纹的试件荷载位移曲线及破坏分析

2．3．3 内含单裂纹试件的起裂荷载值及极限荷载时的裂纹形态

2．4 单裂纹裂尖周围的应变分析

2．5 本章小结

第三章 不同形式双裂纹试件的试验研究

3．1 双裂纹试件的荷载位移曲线及破坏分析

3．1．1 裂尖纵向间距为0mm试件的荷载位移曲线及破坏分析

3．1．2 裂尖纵向间距为5mm试件的荷载位移曲线及破坏分析

3．1．3 裂尖纵向间距为10mm试件的荷载位移曲线及破坏分析

3．1．4 裂尖纵向间距为15mm试件的荷载位移曲线及破坏分析

3．1．5 裂尖纵向间距为20mm试件的荷载位移曲线及破坏分析

3．2 裂纹纵向间距对裂纹扩展的影响

3．2．1 裂纹横向间距为10mm的试件

3．3．1 裂纹横向间距为20mm的试件

3．2．3 裂纹横向间距为25mm的试件

3．2．4 双裂纹试件的起裂荷载值及极限荷载时的裂纹形态

3．3 双裂纹裂尖周围的应变分析

3．4 本章小结

第四章 考虑最大主应力和切应力的韧性破坏准则的模拟分析

4．1 引言

4．2 数值模拟的模型建立

4．2．1 模型的材料参数确定

4．2．2 分析步的设定

4．2．3 边界条件的确定

4．2．4 网格划分和任务提交

4．3 考虑最大主应力和切应力的韧性破坏准则的提出

4．3．1 以往几种破坏准则介绍

4．3．2 考虑最大主应力和切应力的韧性破坏准则

4．4 数值模拟结果

4．4．1 基于ABAQUS软件中的延性金属损伤准则的模拟分析

4．4．2 基于Brozzo准则的模拟分析

4．4．3 基于静水压力准则的模拟分析

4．4．4 基于考虑最大主应力和切应力的韧性破坏准则的模拟分析

4．5 几种准则的模拟结果与试验对比的分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文情况及参与科研项目