基于局部概率断裂力学方法对裂纹尖端约束效应的研究

摘要

本文从微观上对材料的断裂机理及断裂过程进行了探讨，并分析、总结了以往对断裂过程的试验观测及相关的研究结果。这些结果表明低合金钢断裂的过程为：(1)脆性微粒的滑移产生了微裂纹；(2)在一定的局部应力状态下，微裂纹沿着晶面扩展，穿过微粒与晶粒的交界面；(3)具有晶粒尺寸大小的裂纹继续扩展，穿过晶粒与晶粒的交界面。这三个断裂阶段的发生条件是不一样的，在特定的温度下，有一个阶段占主导地位。温度不仅对断裂韧度有影响，也会使断裂的主要阶段发生改变。 材料的局部断裂现象需用局部断裂力学方法加以研究，刻画这些试验现象的模型主要有Bermin模型以及多障碍模型。Bermin模型建立在最弱链理论的基础上，能够有效描述断裂的随机规律。 对于同样的低合金钢而言，面内约束的降低会引起材料断裂韧度的提高。文中采用ASTM E1921-05描述的方法，拟合A533B钢的深裂纹试样的断裂韧度主曲线以及5％与95％失效概率曲线；采用Bermin模型描述裂纹尖端局部区域的力学状态与失效概率之间的关系。根据有限元计算结果分析了Weibull应力随J积分的变化关系，结果表明：(1)对于深裂纹(a/W=0.5)，当J积分值超过60 N/mm后，Weibull应力与J<'2>逐渐偏离了线性关系；(2)对于浅裂纹(a/W=0.075)，当J积分值很小的时候(≈10 N/mm)，Weibull应力与J<'2>完全偏离了原来的线性关系，并转化为另一种线性关系。基于小范围屈服条件下的主曲线方法不适用于浅裂纹试样。根据这些数值分析结果，本文提出了一类用于预测浅裂纹试样断裂韧度的方法，预测的结果和实验数据相比是吻合的。 试样的断裂韧度不仅受试样面内尺寸的影响，也受试样厚度尺寸影响。传统处理厚度与断裂韧度的方法是假设K<'4><,IC>B为一常数。本文通过有限元分析了三维断裂试样的裂纹尖端应力场，并且进行了Weibull应力的分析，研究结果表明：裂纹尖端的应力场从中间的平面应变状态逐渐过度到自由面上的平面应力状态；中间面上的J积分最大，往自由面靠近，J积分减小，其曲线的分布情况与断裂后裂纹的痕迹是相似的；中间平面上的Weibull应力最大，往两边逐渐减小；对于不同厚度的试样，Weibull应力随J积分呈线性变化规律，变化的相关系数随厚度的增加而减小，并逐渐趋近于一个稳定的值——平面应变条件下的情形。相关的预测结果与实验数据相比也是吻合的。与传统的描述约束效应的方法相比，本文提出的方法不仅可以应用于断裂试样的分析，也适应于任何含裂纹的低合金钢构件的断裂分析，并且是有效的。这为工程上的应用提供了可能。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 引言

1.1本课题的研究背景和现状

1.2课题的研究内容

1.3本课题的研究意义

1.4本课题的研究方法

第二章局部断裂力学理论分析

2.1断裂力学的基本理论

2.1.1裂纹的分类

2.1.2线弹性断裂力学

2.1.3 J 积分

2.1.4全量塑性理论裂纹尖端分析的渐近解-HRR解

2.1.5全量塑性理论裂纹尖端应力分析的渐近解-J-A2解

2.2局部断裂力学方法

2.2.1解理断裂过程——微观机理

2.2.2解理断裂的建模

2.3韧性撕裂与韧脆转化

2.3.1韧性撕裂的过程

2.3.2韧脆转化

2.3.3小范围屈服条件下Bermin模型及其扩展应用

2.4结论

第三章Bermin模型预测断裂韧度

3.1断裂韧度的失效概率曲线

3.1.1实验数据及材料模型

3.1.2断裂韧度的各种概率曲线的建立

3.2 Weibull应力的数值分析

3.2.1有限元分析

3.2.2裂纹尖端应力场

3.2.3 Weibull应力的计算

3.2.3曲线偏离直线的原因

3.3预测断裂韧度的具体方法

3.4结论

第四章三维有限元分析与Bermin模型的应用

4.1概述

4.2有限元分析的材料

4.3三维有限元网格

4.4应力场分析

4.5 Weibull应力分析

4.6结论

结 论

参考文献

致 谢

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