（材料加工工程专业论文）压力容器用低合金钢的损伤与解理断裂研究.pdf

兰州理工大学博士学位论文 摘要 摘要 本文主要通过对1 6 m n r 钢三点弯曲预裂纹试样解理断口的观察以及测量局 部解理断裂的临界参数值，通过在不同外载荷下和不同温度下卸载后试样的金相 剖面，仔细观察裂纹尖端的断裂行为，利用有限元计算了裂纹尖端的应力、应变 和三向应力度的分布，还模拟了预裂纹尖端短裂纹的起裂和扩展情况及裂尖构形 的变化。在这些实验和计算的基础上，我们分析了裂纹尖端的断裂行为。结果表 明： 在小载荷下预裂纹仅仅被钝化，在这一区域的附近积累的应变足以使裂纹形 核；而三向应力度也足以在另一区域内使形核的裂纹扩展，但是这两个区域不重 叠，之间有一距离，因此形核的裂纹不能扩展，也就不能引发解理断裂的发生。 在钝化的预裂纹尖端产生的短裂纹起裂、扩展并钝化，这时一方面引起裂尖的构 形更加尖锐，另一方面三向应力度满足的区域更加变宽，从而减少了形核区与扩 展区的距离，使得两者更加接近，进一步增加载荷，达到两个区域互相重叠，这 时裂纹起裂与扩展的条件同时具备，并在钝化的预裂纹尖端的一定距离处起裂与 扩展，此时导致解理断裂的发生。在低温( 一1 9 6 ) 时，试件解理断裂应力判据： 盯。仃，很易实现，控制因素是起裂。在转变区，随延性裂纹扩展，裂尖前端三 向应力度逐渐提高，而裂尖前端正应力升高主要是由于应力强化和应变强化这两 个因素决定的。当这两个特征应力值在裂纹形核区超过其临界值时，发生由韧性 断裂向脆性解理的转变。而在韧一脆转变区韧性值的分散是由于在纤维裂纹扩展 过程中，其尖端宽度的随机波动加上组织中薄弱环节的随机分布所引起的。同时 还发现在裂纹试样中，第二相粒子尺寸对材料韧性参数起主导作用；而温度对材 料的解理模式起决定性的作用。因此解理断裂的临界事件随温度的升高发生由成 核控制( 起裂控制) ，向第二相、夹杂物尺寸微裂纹扩展控制和铁素体晶粒尺寸 微裂纹扩展控制的转变。 孔洞的形核、生长以及融合对金属的延性断裂起着主要的作用，孔洞的形核 主要通过二相粒子与基体材料的界面分离或二相粒子本身的碎裂而形成，并由于 周围及基体材料的塑性应变而生长扩大。微孔洞的萌生、生长、融合是材料延性 损伤及裂纹扩展的主要原因，因此在理论上可以用g u r s o n t 、，e r g a a r d _ n e e d l e m e n 模型可以很好的描述金属在延性一脆性转变过程中由孔洞形核、生长、融合造成 i i 兰州理工大学博士学位论文摘要 的延性开裂。 本文利用延性损伤理论和g u r s o n t v e r g a a r d n e e d l e m e n 模型，通过a b a q u s 软件对1 6 m n r 材料的三点弯实验过程进行了有限元模拟和计算，并结合实验的 结果，探讨和分析了作为损伤参数的发生微孔洞形核的二相粒子的体积百分比 ，和材料参数吼随材料形成孔洞后裂纹前端的应力应变场的变化情况以及厂、 g ，对应力应变场的影响；对比研究了无损伤孔洞的弹塑性材料在一8 0 下与含有 损伤孔洞材料的应变、应力及应力三轴度分布规律，验证了陈剑虹教授和王国珍 教授提出的基于弹塑性理论的解理断裂的三判据在考虑孔洞型损伤后的合理性。 关键词：解理断裂，裂尖断裂行为，断裂机理，有限元计算和模拟，损伤， g t _ n 模型 i i 兰州理工大学博士学位论文 a b s t r m d a m a g ea n dc l e a v a g es t u d yo nl o wa l l o ys t e e lo fp r e s s u r ev b s s e l a b s t r a c t b a s e do no b s e r 、r a 舡o n so i 厅a c t l l r es u r 士a c e sa n dm e a s u r e m e n t so f1 0 c a lc n t l c a l p a r a m e t e rt oc l e a v a g eo f3 p b ( t 1 1 r e ep o i n tb e n d i n g ) p r e c r a c k e ds p e c i m e n so f1 6 m n r s t e e l ，d e l a i l e do b s e r 旷a t i o n so fc o n f i g u r a t i o nc h a n g e s a t p r e c r a c kt i p sb y m e t a l g r a p l l i cc r o s ss e c t i o n st os p e c i m e n su i l l o a d e da tv a r i o u s 印p l i e dl o a d sa l l d v 撕o u st e m p e r a t u r e ，s o p h i s t i c a t e df e mc a l c u l a t i o n so fd i s t r i b u t i o n so fs 拓e s s ，s 廿a i n a n dt r i a x i a l i t ya n ds i m u l a t i o n so fs h o nc r a c k s “廿a t e da n de x t e n d e da tp r e c r a c kt i p s ， a 1 1 dc o l l f i g u r a t i o nt r a n s f b m a t i o no f 血et i p ，也e 行a c t u r eb e h a v i o ra tc r a c kt i pi s a 1 1 a l y z e d 7 n l er e s u l t sr e v e a lt h a ta sl o n ga st h ef a t i g u ep r e c r a c kj s0 1 1 l yb l u n t e d ，i ni t s v i c i n 毋ar e g i o n ，w h e r et h ea c c u m u l a t e ds 扛a i ni ss u m c i e mt on u c l e a t cac r a c ka n di n o 廿1 e rr e g i o n ，w h e r et 1 1 es t r e s s ( t 订a x i a l i t y ) i ss u 伍c i e mt op r o p a g a t eac r a c kn u c l e u sa r e s e p a r a t e db yad i s t a l l c e t h en u c l e a t e dc r a c kc a n n o 瞳b ep r o p a g a t e da n dt h ec l e a v a g e 曲c t u r ec a n n o tb et r i g g e r e d as h o r tc r a c kp r o d u c e da tm ef u l l yb l u m e df “培u e p r e c r a c kw i l lc h a n g et h ed i s 订i b u t i o n so fs t r a i n ，s t r e s sa n dt r i a x i a l i t ya 1 1 ds p e c i a l l y m e i rr e l a t i v el o c a t i o n sa h e a do f 吐1 ep r e - c r a c k w t l i l et h es t r a i nr e t a i n s ，也es t r e s s ( 订i a ) 【i a l i t y ) i sr e b u i l t t h ei 血t i a t e d ，e x t e n d e da n dt 1 1 e nb l u n t e ds h o r tc r a c km a k e sat i p c o n f i g l l r a t i o n ，w 1 1 i c hi sm u c hs h a r p e r 廿1 a j lt h a to ft h em l l yb i u n t e do r i g 曲a ip r e c r a c k t i p t h es h a i p e n e dc r a c kt i pc o n f i g u r a t i o nr e - b u i l d sa s h a l p e r d i s t r i b u t i o no fs 仃e s s m i a x i a l i t y ) a n dm a k ea b o v et w or e g i o n sc l o s e lf i n a l l yt 1 1 et w or e g i o n so v e r l a pe a c h o t h e ra n dac l e a v a g ec r a c kc a nb ei n i t i a t e da n dp r o p a g l t e da tad i s t a l l c ea h e a do ft h e b l w 【t c dp r e - c r a c ka tt e m p e r 帅e ( 1 9 6 ) ：a sl o n ga sm ep r e c r a c k e ds p e c i m e n s a t t a i l l e ds 仃e s sc r i t e r i at h ep r e c r a c k e ds p e c i m e n sf h c t l l r e db yc l e a v a g e ，盯w 盯， c o n d i t i o nc a i lb er e a c h e de a s i i va n dt t l ed e c i s i v ef 扯t o ri sa “t i a lc r a c k a t d u c t 订e - b r i n l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ，m es 仃e s st r i a x i a l i t ya h e a do ft h ed u c t i l ec r a c k i n c r e a s ew i mm ec r a c kp m p a g a t i o nb u tt l l ee l e v a t i o no fn o n i l a ls 订e s si sm a i n l y r e l a t e dn o to n l yt h es t r e s si n t e n s 而c a t i o nb u ta l s ot ot 1 1 es t r a i l lh a r d e 工i i n g t h es c a t t e r o ft o u 业h n e s sm a yb e 胁i b u t e dt o 也e 哪d o mv a r i a t i o no fd u c t i l ec r a c kw i d t l la j l dt h e r a l l d o md i s t r i b u t i o no fm eb r i t n ep a n i c l e s t h ec o n s i d e r a b l en u c t i l a t i o no ft o u g h n e s s v a i u e si nm et r a n s i t i o nt e m p e m m r er e g i o ni sd u et ot h em n d o mv a r i a t i o no f t l l ew i d m s l v 兰州理工大学博士学位论文a b s t r a c t o fm et i p so ff i b e rc r a c k sd u r i n gt 1 e i re x t e n s i o na n dt h er a n d o md i s t r i b u t i o no ft 1 1 e w e a k e s tc o i l s t i t u e m si nt 1 1 em i c r o s m l c t u r e i na d d i t i o r e s u l t sa l s os h o wt l l a ti p r e c r a c k e ds p e c i m e n s 矗a c t u r e db yc l e a v a g e ，t h es i z e so fs e c o n dp h a s ep a n i c l e sp l a y al e a d i i l gr o l et om a t e r i a l t o u g 1 i l e s sp a r 锄e t e ra n di np r e c m c k e ds p e c i m e n s 舳c t i l r 。e dm o d e lb yc l e a v a g e ，m et e m p e r a t i l r ep l a ya1 e a d i n gr o l e a sr e s u l t ，t h ec 血i c a l e v e n to ft h e c l e a v a g ef h c t u r ec h a l l g e s 丹o mt 1 1 em m a t i o nc o n d l l e dt ot l l e p m p a g a t i o nc o n 仃0 1 1 e dd u et os e c o n dp h a s eo ri n c l u s i o n - s i z e dm i c r o c r a c ka sw e l la s f e 玎i t eg r a i n s i z em i c r o c r a c k d u c t i l et e a r i n go fm e t a l l i cm a t e r i “si n v o l v e sv o i dn u c l e a t i o na n dv o i dg m w mt o c o a l e s c e n c ei np r o p o r t i o n sd e p e n d i n go nm es y s t e mm a t r i x p a r t i c l e m u c hi sk n o w n a b o u tt h em e c h a i l i s m sa c c o i n p a n y i n gn u c l e a t i o no fv o i d so ns e c o n d p h a s ep a n i c l e s ，a p h e n o m e n o l o 西c a ld e s c r i p t i o no f m i c r o v o i dn u c l e a t i o n ，g r o w t l la n dc o a l e s c e n c e ，a sa w h o l e ，a c c o r d i l l gt og u r s o n t v e r g a a r d - n e e d l e m e nm o d e l ，i s 、i d e l yu s e dt oa n a l y s e d u c t i l e 丘a c t u r ei nv 撕o u sc r a c k e ds p e c i m e n s b a s e do nd u c t i l ed a m a g em e c h a n i c sa i l dg u r s o n t v e r g a a r d - n e e d l e m e nm o d e l ， u s i n ga b a q u sf e ms o r w a r ea 1 1 a l y s et l l ee 肫c to fd 锄a g ef a c t o r a 1 1 dg 】b o t h t h ee x p e r i m e n t a la 1 1 dt h e o r e t i c a ls i d e s ，m e c h a n i c a lb e h a v i o ri n v 0 1 v i n gd u c m ed 锄a g e n e a rt h ec r a c kt i pa n dt h er e a s o nf o ri t sd i 丘、e r e n c eb e t 、e e ne l a s t i c p l a s t i cb e h a v i o ri n s t e e l l6 m n ri sd i s c u s s e d ，a 1 1 dr a t i o n a l 毋o ft l l et l l r e ec r i t e r i o nf o rc l e a v a g e 丘a c t l l r e b yj hc h e na n dz gw a n gu n d e rd 帅a g ee 行e c t i n gi st e s t i f i e d k e y w o r d s ：c i e a v a g e ：f 旧c l u r eb e h a v i o ra tc r a c kt i p ：m e c h a n i s mo ff r a c t u r e f e mc a i c u l a t i o na n df e m s i m u l a t i o n ；d a m a g e ： g u r s o n - t v e r g a a f d n e e d i e m a nm o d e i v 兰州理工大学博士学位论文原创性声明 原创性声明 本人声明，所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果。与我共同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本文研究成果归兰州理工大学所有。本人了解兰州理工大学有关保留、使用 学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅、学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学 位论文；学校可根据国家或甘肃省有关规定送交学位论文。本人毕业后如果发表 论文中的研究内容，将署名兰州理工大学字样。 作者签名导师签名：【丝! 哒：日期：翌堕年上月旦日 兰州理工大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 工程背景 结构和材料的破坏控制一直是工程设计的关键问题。根掘统计，因断裂、疲 劳、腐蚀、磨损等原因造成结构破坏而引起的经济损失占西方发达国家国民经济 总产值的6 8 。在我国8 0 年代锅炉和压力容器的爆炸事故的发生率是工业化 国家的1 0 倍。 压力容器所用的材料多为低碳、合金钢等韧性材料。在钢材的冶炼、轧制以 及压力容器的制造过程中，不可避免的存在着微孔洞、微裂纹等细观缺陷，这些 细观缺陷在外载荷的作用下长大、汇合成宏观裂纹，宏观裂纹在外载荷的作用下 继续扩展，直至导致压力容器的断裂破坏。 断裂力学的出现和发展，为含缺陷压力容器的断裂破坏分析和缺陷评定提供 了科学的依据。从1 9 7 0 起，世界各国纷纷展开基于断裂力学的压力容器失效分 析和压力容器的缺陷评定技术的研究，提出了一些工程评定方法和规范，并不断 修改和完善。主要有：美国的a s m e 规范的线弹性断裂理论的评定方法；英国的 b s ip d 6 4 9 3 ( 1 9 8 0 ) 为代表的c 0 d 理论的评定方法，英国中央电力局c e g b 的r 6 为 代表的失效评定技术。其中r 6 第三版将脆断评定与塑性失稳评定有机结合，并 结合了在脆断与塑性失稳之间进行合理内插的失效评定图( f a d ) 技术，成为应 用最为广泛的缺陷评定规范。近年来国际上已经提出了一个局部法理论，这个理 论是建立在断裂过程的微观力学模型上的，认为断裂的临界条件和断裂控制区的 应力、应变和局部损伤有关。从而希望能将该技术应用于核压力容器的脆断预防。 总的来说，应用断裂力学的理论和方法，对弹塑性断裂的分析和缺陷评定的工程 方法已经比较成熟，并且取得了较好的工程应用效果。 但是必须看到断裂力学只考虑含宏观裂纹的材料和结构的变形及裂纹扩展 问题，不涉及宏观裂纹出现以前的力学和物理过程，因此现有的基于断裂力学的 压力容器失效分析和缺陷评定技术缺乏明晰的物理背景，其结果不可避免的带有 一定的经验性质。 过去3 0 年中源于g r i 伍t 1 1 的断裂力学的发展推动了材料和结构破坏理论的发 展，在工程中的应用范围也不断扩大，并取得了较好的实践效果。由于断裂力学 自身的局限性和科学技术发展水平的提高，工程实践要求提出更为精确、更具物 理背景的破坏理论，这就促使人们从宏观、细观和微观三个不同的层次深入研究 兰州理工大学博士学位论文第一章绪论 断裂和断裂机理、损伤和损伤机理，这就产生了新的破坏理论损伤力学。损伤 力学扩展了人们关于材料破坏机理和机制的认识，使人们对材料破坏行为的研究 达到了一个新的高度，从而将材料的宏观破坏失效和其细观的、甚至是微观结构 内的断裂物理、断裂化学过程联系起来。从目前来看，损伤力学日益成为力学、 材料科学、物理和化学的交叉学科。 可以说，微、细、宏观三层次相结合的损伤力学理论已经成为国际上力学和 材料科学这一交叉领域的前沿课题。美国的n s f 、a s m 巳、d a r p a 、o n r 等机 构都大力资助这一新兴的研究领域。自8 0 年代以来，在细观力学、界面力学、 细观计算力学以及原子层次断裂机理等方面已经取得了学科性的突破，并用于指 导材料的强韧化设计和新型结构材料的研制。但从整体上看，这一领域尚处在发 展的初级阶段，涌现了很多损伤理论，但尚没有出现为人们所公认的损伤理论， 时至今日人们仍在研究新的损伤理论，呈方兴未艾之势。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 学科背景：两种破坏理论一断裂力学与损伤力学 结构的破坏一直是工程实践中最为关心的问题。结构的破坏是个渐变过程， 不会突然发生，是损伤逐渐积累的过程。损伤是指在外载荷的作用下，由于细观 结构的缺陷( 如微裂纹，微裂隙，微孔洞) ，引起材料或结构的劣化。损伤发展 到一定程度，即微裂纹、微孔洞长大、汇合形成宏观裂纹。宏观裂纹继续扩展， 导致结构强度持续降低，最终失去承载能力而完全破坏。因此可以说断裂和损伤 是材料和结构破坏的不同阶段的破坏行为，断裂力学和损伤力学就是分别描述这 两类破坏行为的损伤理论。损伤力学是断裂力学的发展，两者既有联系又有区别， 如图1 一l 所示： 圈l 一1 材料的破坏过程 兰州理工大学博士学位论文第一章绪论 1 2 2 断裂力学i l 2j 断裂力学主要研究结构或材料破坏过程的宏观可见部分，即含裂纹物体的变 形以及裂纹的扩展过程。断裂力学将破坏与表征裂纹尖端状态的菜一参量的临界 值相联系，假定在裂纹缺陷的边界面上，存在位移和构形的几何间断，又假定基 体介质是均匀连续的。据此建立强度分析理论，包括：( 1 ) 分析含缺陷材料和结 构的力学响应裂纹驱动力：应力强度因子k ，j 积分或断裂张开位移6 等。( 2 ) 获取表征材料抵抗裂纹扩展的能力指标：平面应变断裂韧度k 1 c 、临界积分值j l c 、 裂纹张开临界位移值6i c 。( 3 ) 根据裂纹的扩展条件，即扩展准则： ，( ，) s 后l c ； gu ) 兰l ，e 或厂2 ( 6 ) 兰6 。，来判断裂纹是否会发生稳定 扩展或失稳扩展。其主要研究内容如图1 2 所示： 图1 2 断裂力学及应用 实际上，微裂纹、微孔洞形成的损伤在材料的制造和加工阶段就已经存在了。 正是这些微裂纹、微孔洞的聚合与生长促成了宏观裂纹的形成与扩展。但断裂力 学只能分析宏观裂纹的扩展行为，其对裂纹萌生的位置是人为假定的，这就使其 结论带有一定的经验性。此外，裂纹被理想化为具有光滑表面的几何间断面，因 此裂纹尖端的应力应变场具有奇异性。断裂力学另外还假定裂纹尖端区域的材料 性能与远离裂纹尖端区域材料的性能是相同的，但实际上宏观的裂纹扩展总伴有 微裂纹或微孔洞造成的损伤，因此裂纹尖端区域微裂纹对材料机械性能的影响不 应忽略。这就需要更为精确的破坏分析模型和理论，损伤力学正是在这一工程背 景中产生的。可以说含宏观裂纹物体的变形以及裂纹扩展的研究是断裂力学的内 容，而损伤力学主要研究宏观可见裂纹或缺陷出现以前的力学过程。 兰州理工大学博士学位论文第一章绪论 1 2 3 损伤力学即j 损伤力学是近20 年来发展起来的一门新的固体力学的分支学科，是材料与 结构的变形与破坏理论的重要组成部分。它发源于古典的材料力学和断裂力学， 是材料力学和断裂力学的重要补充和必然发展。自k a c h a n o v 于1 9 5 8 年提出连续 度的概念，r a b o 舡l o v 于1 9 6 3 年提出损伤因子的概念，至1 9 7 7 年j a n s o n 与h u l t 正式提出损伤力学的概念，损伤力学已经取得了长足的发展。 损伤力学主要研究含损伤的介质材料性质，以及在材料或结构的变形过程中 损伤的演化直至破坏的过程。损伤力学有两个主要的分支：( 1 ) 连续损伤力学。 利用连续介质力学与连续介质热力学的唯象学方法，注重于损伤对材料宏观力学 性能的影响以及基于宏观的材料和结构的损伤演化规律和过程，不涉及损伤演化 的细观物理和力学过程。( 2 ) 细观损伤力学。通过对典型的损伤基元( 微裂纹、 微孔洞、剪切带) 以及各种基元组合，根据损伤基元的变形与演化过程，通过力 学平均化的方法，求得材料的损伤过程与细观损伤参变量之间的关系。而将连续 损伤力学与细观损伤力学结合起来，就形成了近年发展较快的基于细观的唯象损 伤理论。 损伤力学的研究对象可分为：弹性损伤、弹塑性损伤、疲劳损伤、蠕变损伤、 腐蚀损伤、辐照损伤和剥落损伤。目前研究最多的是两类典型损伤：由微裂纹萌 生与扩展而形成的脆性损伤和由微孔洞的萌生、长大、汇合与扩展而形成的韧性 损伤。 损伤力学研究的主要内容如图1 3 所示： 图1 3 损伤力学及应用 兰州理工大学博士学位论文第一章绪论 损伤力学的研究过程如下：首先选择表征损伤的损伤变量，通过实验室途径 和连续介质力学与连续介质热力学，决定含损伤变量材料的损伤演化方程和本构 关系，并与连续介质力学的其他场方程一起，形成损伤力学的初边值问题或变分 问题的数学提法。然后求解结构或材料的应力应变场和损伤场，再根据损伤的l 临 界条件，来衡量材料和结构的损伤程度和安全使用的界限。损伤力学可以动态的 跟踪描述损伤破坏的全过程，对材料和结构的破坏给予具体的判断。 损伤力学研究的难点和重点在于含损伤材料的本构理论和演化方程。关于这 一点主要有三种方法：唯象的宏观本构理论，细观的本构理论和基于细观的非局 部效应的本构理论。其中唯象本构模型注重于损伤的宏观后果，细观本构理论侧 重于描述损伤的物理和力学本质，但难点在于不同材料、不同损伤过程的细观机 制十分复杂，难于获得完善的力学表述。一般来讲，对于结构的损伤分析，一般 采用连续损伤力学来解决，对材料的设计和强韧化工艺，则利用细观损伤理论更 为合适。而从工程应用上来看，考虑细观机制的唯象损伤理论更为合适。 1 2 4 考虑到损伤的断裂力学”3 。4 1 总括来看，对结构材料破坏的研究经历了三个阶段，首先是弹塑性力学阶段， 弹塑性理论将材料视为均匀的没有任何缺陷的连续介质，在弹塑性分析的基础上 按照经典的强度理论判断材料是否达到了破环。其次是断裂力学阶段，研究存在 宏观裂纹结构材料的破坏问题，在分析过程中仍然将裂纹周围的材料视为均匀连 续的介质。也就是说断裂力学只适用于宏观裂纹形成之后的材料破坏行为，不涉 及宏观裂纹形成之前材料的力学行为和相应的物理过程。第三个阶段，即现代破 坏力学阶段，以损伤力学为代表的材料破坏理论，将材料的细观缺陷的发生、发 展及其对材料破坏的影响纳入研究范围。白1 9 8 0 年代中后期以来，固体力学的 研究向着将这三个阶段的破坏理论结合起来，形成以宏观、细观、微观相结合的 可以完整描述材料破坏过程的现代破坏理论。 对于实际材料的破坏过程而言，微观缺陷的萌生、发展和宏观裂纹的出现、 扩展是有紧密联系的。材料的破坏一般是由于损伤的集中发展和演化，最终导致 宏观裂纹的出现。宏观裂纹出现后，微观的损伤结构继续演化，并且进一步推动 宏观缺陷的发展。宏观裂纹扫过的区域往往细观缺陷也比较集中。因此将损伤力 学结合起来，将会更好的阐明材料的破坏机理。断裂力学中，针对线弹性断裂， 建立了破坏准则足，k g g 。针对弹塑性断裂，有裂纹张开位移( c o d ) 和j 积分准则来判断裂纹的扩展。在考虑了细观缺陷之后，寻求给以上的控制裂 兰州理工大学博士学位论文第一章绪论 纹扩展的参数以明确的物理意义，以及在损伤力学的前提条件下如何界定控制裂 纹扩展的参数，进而建立更具普遍意义的失效准则，对破坏理论的发展有着十分 重要的意义。 考虑损伤之后的裂纹扩展行为将更加复杂。在断裂力学中考虑的裂纹扩展主 要表现为裂纹面的向前扩展运动。在引入损伤之后，必须考虑裂纹两侧和前端存 在的损伤区，裂纹在损伤区内的扩展与损伤区内的细观缺陷的类型及分布情况有 关，是细观缺陷引致的损伤的发展而导致裂纹在损伤区内扩展，裂纹的扩展过程 就是裂纹尖端附近的材料逐渐损伤引起的损伤区的移动过程，这一过程要比单纯 考虑损伤或单纯考虑宏观裂纹要复杂得多。断裂力学与损伤力学的结合，将会对 破坏过程的描述更加接近力学实际。但这一问题同时也是破环理论研究的难点， 有许多问题有待进一步研究。 1 2 5 宏观断裂力学的研究进展 破坏力学的发展经历了三个阶段“。从伽里略时代到第二次世界大战前的 无缺陷理论为第一阶段。其主要特征为：( 1 ) 以变形量、塑性屈服等破坏先兆作为 防范目标，并提出了以强度理论为中心的破坏准则体系；( 2 ) 不引入任何缺陷尺度： ( 3 ) 对材料的本构行为采用简单的连续介质描述( 如虎克定律) ；( 4 ) 将材料的缺陷 和破坏抗力经验的反映于若干材料指标上。第二阶段从第二次世界大战结束后到 现在的宏观断裂力学阶段。其主要技术特征为：( 1 ) 以断裂等破坏终极现象作为防 范目标。建立了以断裂韧度理论为中心的破坏准则体系；( 2 ) 引入宏观缺陷，但并 没有考虑细微观缺陷；( 3 ) 对材料的本构行为采用了较复杂的连续介质描述，但材 料构元仍不具有细微观结构；( 4 ) 将材料破坏抗力唯像地反映在带裂纹标准试件的 断裂指标上。第三阶段为宏微观理论阶段。其主要技术特征为：( 1 ) 追溯从变形、 损伤至断裂的全过程；( 2 ) 引用多层次的缺陷几何结构；( 3 ) 对材料的本构行为采用 宏一细一微观相结合的描述，在材料构元中体现特定的微结构；( 4 ) 材料的破坏抗 力体现为可预测的力学指标。 根据晶格性质对晶体的强度进行计算，其理论强度为： 一 、! q 。：f 垃1 2 ( 1 1 ) l6 其中，e 为杨氏模量，y 为表面能，b 为原子等效间距。 对于许多材料可得q 。* 驯6 ，这个预测值比实际观察到的高得多，正是存在 巨大差异的事实使人们认识到晶体是存在着各种不同缺陷的，从裂纹的存在提出 兰州理工大学博士学位论文 第一章绪论 和发展了宏观的断裂理论。 g r i f f i t h “4 3 通过对脆性材料玻璃的研究，从能量的角度，即 俐剖刮 m z ， 其中，饥为弹性应变能，u 为表面能，c 为裂纹长度的一半。 得出著名的g r i f f i t h 公式： 听_ 蒜 _ c 一， ( 1 3 ) 其中盯，为裂纹体断裂强度，e 为杨氏模量，y 为表面能，c 为裂纹长度的一半， v 为泊松比。 后来，由i r w i n 3 和o r o w a n 1 将g r i f f i t h 理论扩展到金属上，即引入塑性耗 散功作为表面能的补充。 通常定义g ；一罢生 ( 卜4 ) 酏 g 便是裂纹伸展的能量释放率，即裂纹扩展力。 在发展g r i f f i t h 理论的同时，i r w i n m l 根据w e s t e r g a r d 1 推出的带裂纹体的 解析解，引入了应力强度因子k 的概念，奠定了线弹性断裂力学的基础，即 k = 匹j7 【d ( 卜5 ) 其中，世为应力强度因子，盯为外加应力，日为裂纹长度的一半。 考虑到裂纹尖端的塑性变形，必须对线弹性断裂力学的结果加以修正，i r w i n 等人“”2 ”引入了有效裂纹长度的概念，这种修正在塑性区较小的情况下足够精确， 但在大的塑性变形中却无能为力。w e l l s 。”首先建议用裂纹张开位移( c 0 d ) 的大 小表达材料抵抗断裂的能力，d u g d a l e ”2 3 发展了c 0 d 理论，得出在理想塑性条状屈 服条件下原裂尖处c 0 d 的值： 占：竺兰 ( 1 6 ) e o 其中，e 为杨氏模量，仃。为屈服应力，盯为外加应力，n 为裂纹长度的一半。 b 订b y c o t t r e l l 一s w i n d e d e n ”应用位错连续分布理论得到了相同的结果。 1 9 6 8 年r i c e ”4 1 对基于全量理论，积分各种性质和应用的阐述为断裂力学界 所推广，使，积分成为弹塑性断裂力学的核心，并证明了，积分的守恒性，即围绕 兰州理工大学博士学位论文第一章绪论 它的线性积分只是一个与积分路径无关的常数，此常数反映了裂纹尖端应力应变 场的强度。 止义w 方一罢鼢j ( 1 7 ) 其中w 为应变能密度，“为外边界上点的位移，t 为张应力，j 为外边界的弧 长，r 是不包括裂纹表面的试样边界线。 上述宏观断裂力学的主要成就之在于：对若干典型材料模型和裂纹运动规 律，建立了控制裂纹尖端某一环带域的特征奇异场，如k 场，幂硬化介质静止裂纹 的瑚r 场。其共同的特征是”1 ：( 1 ) 它们在裂尖附近的某一环带占优，从而提供 了一个控制裂纹尖端断裂过程的力学场氛围，( 2 ) 对大多数裂尖场来说，该力学场 氛围的强弱受单参数控制，概括性地录入了载荷信息、裂纹几何信息及部分材料 信息，( 3 ) 可用渐进分析的方法来一劳永逸地揭示这类奇异场的空间构造，并得以 建立具有良好的可操作性的宏观断裂准则。 一直以来，宏观断裂力学在工程上都发挥着重要作用，其主要指标逐渐用于 实际带裂纹体的构件的安全设计和评定中。尽管如此，但它也有着不可逾越的局 限性。主要表现在以下四个方面”。3 “： ( 1 ) 、裂纹尖端奇异场的确立并不总是成功的。宏观断裂力学的主要成就之 一就是建立控制裂纹尖端附近某一环带域的特征奇异场。这些裂尖奇异场在裂尖 附近某一环带区占优，从而提供了一个控制裂尖断裂过程的力学场氛围；该氛围 的强弱受单参数控制，这个参数概括性地记录了载荷信息、裂纹几何信息及部分 材料信息，使得以建立具有良好操作性的宏观断裂准则。然而，裂纹尖端奇异场 的确立并不总是成功的，主要存在以下三个方面的问题：有效域问题。在很多 情况下奇异场得以占优的有效域出现残缺，这种微弱残缺的氛围能否控制裂尖的 断裂过程是令人怀疑的。自治场问题。在一些典型问题上，由于渐进场正则条 件的引入使得的裂纹尖端奇异场出现自治特征。这时裂尖断裂过程的力学控制氛 围与外载荷条件和几何因素无关，从而无法根据裂纹尖端奇异场来建立断裂准 则。实际金属材料中的裂纹顶端所出现的塑性大变形与损伤可能使裂尖形貌发 生根本性的变化，产生了钝化( 疲劳裂纹尖端有o 2 肌的原始宽度) ，从而破坏 了推导裂纹尖端奇异场的前提，即变形前裂纹为无限尖锐，且只允许线弹性小变 形模式。 一8 兰州理工大学博士学位论文第章绪论 ( 2 ) 、材料宏观断裂韧度参数c 没有唯一值，分散度很大。目前已有材料 的宏观断裂韧度参数主要有k ，、t ，、c 0 d 。这些韧性参数可充分描述裂纹体的 力学行为，但由于实际组织结构的不均匀性，以及解理起裂的随机性，使解理起 裂源的位置相对于裂尖而言是激烈变化的。因此对于同一种材料，在同样的外界 条件下，世，、j 。和c d d 具有很大的波动性，即不存在材料单一的k ，、，和 c 值，分散度很大。宏观断裂韧度的出发点是g r j f f i t h 准则，这个准则是判 断裂纹直接扩展的，而对于一般高强钢在中等低温( 一l l o 左右) 时解理断裂不 是由直接扩展引发的，而是由重新起裂引发的。其需要的能量大大高于g r i f f i t h 能量，起裂位置也不再是固定的原裂纹的裂尖处，这样解理就不是发生在描写奇 异场的单一参数的某一个固定值。c h e n w a n g 的研究表明，下平台温度区的韧 性值的分散度达3 0 0 。他们指出，测得的韧性值主要取决于最薄弱环节的位置分 布，韧性值的分散主要是由解理起裂位置的变化引起的，尤其与最大拉应力的相 对位置有关。同时解理断裂应力盯，和临界塑性应变s 。的变化也对韧性值的分散 有一定的影响。世，r 、，r 和c 值的分散给工程应用带来了很大困难，所以它 们不能准确表征材料的本质特性。 ( 3 ) 、宏观断裂力学中，裂纹尖端断裂过程是一个无法解释的黑匣子。根据 对断裂过程的某种预计：如大变形、损伤、细观结构等，可大致估计出断裂过程 区的尺寸，并且还可由宏观断裂力学的方法确定出该断裂过程区的力学氛围。然 而，黑匣子内所发生的断裂事件却无法用宏观断裂的理论加以描述。这是因为： 宏观断裂力学没有考虑断裂的细观和微观机理及判据，其韧性参数及判据是在连 续介质力学模型上建立起来的，而材料本身存在着夹杂物、碳化物、微孔洞、位 错等大量缺陷和第二相，这些缺陷和第二相在细观和微观上都是不连续的，只是 从统计的角度考虑宏观断裂韧度参数，而不能分析解理断裂的本质。 ( 4 ) 、宏观断裂力学不能解释为什么不同的材料有不同的断裂韧度。宏观断 裂力学是在连续介质力学模型上建立起来的，没有考虑材料细观和微观组织结构 上的差异，宏观断裂韧度值k 。j ，和c 没有唯一值，分散度很大，也没有 考虑到微观裂纹起裂、扩展的机理。而解理断裂应力口，作为一个细观的断裂韧度 参数，既具有宏观断裂力学场参数的特征，又与材料的细观组织相关，是联系宏 观断裂力学和细观断裂物理的桥梁。它是一个晟稳定的参数，对温度、加载速度、 根半径以及缺口或预裂纹的位置都不敏感。并且它是一个本质参数，取决于材料 临界微观结构组元的表面能以及晶界阻力。不同材料有不同的微观结构，所以材 兰州理工大学博士学位论文第一章绪论 料的解理断裂应力盯，不同，进而材料的断裂韧度也不同。 宏观断裂力学只能分析宏观裂纹的扩展行为，而对裂纹萌生的位置认为是假 定的，( 因为宏观裂纹形成是许多微裂纹的聚合与生长造成了宏观裂纹的形成与 扩展) ，这就使其结论带有一定的经验性。此外，裂纹被理想化为具有光滑表面 的几何间断面，因此裂纹尖端的应力应变场具有奇异性。断裂力学另外还假定裂 纹尖端区域的材料性能与远区的一样，但实际上宏观的裂纹扩展总伴有微裂纹的 产生，因此裂纹尖端区域微裂纹对材料机械性能的影响不应忽略。这就需要更为 精确的破坏分析模型和理论。鉴于宏观断裂力学有着无法逾越的局限性，我们要 更深层次地探索断裂过程区的奥秘，用细观和微观断裂力学参数来弥补宏观断裂 力学的不足。在此，我们从细观断裂力学和断裂物理的角度出发，来解释宏观断 裂韧度的本质。又由于宏观断裂准则具有良好的可操作性，这就要求要试图建立 宏观与细观这两者之间的关系。 宏观断裂力学的局限性促使其与断裂物理的紧密结合，细观断裂、损伤力学 的兴起和发展。其主要的学科优点在于对损伤赋予了真实的几何形象和具有力学 意义的演化方程。其研究方法主要是：( 1 ) 选择一个能最佳描述细观损伤的尺 度，( 2 ) 抽离出一类基本损伤结构并将嵌含该损伤结构的背景材料按一定力学规 律统计平均为等效连续介质，( 3 ) 将更细尺度下的本构关系应用于这一背景连续 介质，( 4 ) 从该尺度下含损伤结构的连续介质力学计算来阐明材料损伤模型。因此 细观损伤力学与材料的细观组织结构和细观损伤断裂物理过程密切相关，体现了 断裂力学与断裂物理过程相结合的学科发展特征。由于脆性断裂的危险性，对于脆 性解理损伤与断裂的研究更多地引起人们的关注。细观的脆性断裂力学与断裂物 理的结合是研究发展的必然趋势。 1 2 6 细观解理断裂机理、特征距离及活性区的研究概况 大量研究工作者”8 “4 1 通过对解理断裂过程的研究，认识到该过程是包括裂纹 的形核、长大与扩展的连续过程，并在此基础上建立了一系列的物理模型来描述 材料的断裂行为。五十年代起，人们将宏观g r i f f i t h 理论中的宏观应力盯，应用于 细观，产生了细观断裂应力j ，开始了细观断裂力学的研究。1 9 5 4 年s t r o h ”“研究 发现金属的拉伸断裂强度盯，等于其压缩屈服强度盯。说明材料的断裂与屈服有 关，s t r o h 认为解理裂纹的产生不是靠材料内部己存在的微裂纹，而是靠塑性变 形。滑移时，当位错遇到障碍的晶界、孪晶或第二相时，发生位错塞积，在其前沿 附近的区域造成应力集中，若不能被塑性变形松弛则产生解理裂纹。s t r o h 根据 兰州理工大学博士学位论文 第一章绪论 g r i f f i t h 模型进行计算，推导出了解理起裂的临界应力条件： t ，：，一。，：l 黑l 2 ( 1 8 ) 一，12 l 赫j 1 8 其中f 。为有效切应力，f ，为屈服应力，f 。为晶格阻力，“为切变模量，v 为泊松 比，y 为表面能，d 为晶粒直径。 在该式中未涉及裂纹尺寸，他认为裂纹起裂是最困