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Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂准则与细观过程关系的研究

魏志刚  
【摘要】: 金属材料的韧性断裂是断裂力学研究的重要问题之一。韧性金属材料在发生Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹断裂时,存在韧窝型和集中剪切型两种断裂模式。韧窝型断裂由材料内空穴形核、扩张和汇合造成;集中剪切型断裂则与构件内形成集中剪切带有关。两种断裂模式在断裂发展过程中同时并存,互相竞争。 本文主要的工作是在试验的基础上,结合细观断裂力学当前的研究进展,通过有限元计算和模拟分析,研究了平面复合型断裂中各种力学参量对圆弧尖端裂纹断裂的影响,比较分析了现有的起裂判据、断裂扩展方向的判定方法以及断裂模式的转换条件。 文中分析了带有圆弧裂纹尖端的16MnR钢制四点弯试件中三轴度参量的变化规律及其对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的重要作用。在圆弧裂纹试件中,裂尖附近的三轴度较高的点呈脊线分布,按照脊线分布拟合计算得到的三轴度脊线夹角在偏心距So>3mm时与试验测得的断裂角符合较好,这种情况下试件发生的是韧窝型断裂。 对裂纹尖端张开位移CTOD及其张开型分量δ~1和剪切型分量δ~11的分析表明,在试件发生韧窝型断裂时,按照圆弧裂纹中CTOD矢量的垂直方向预测的断裂角与试验测得的断裂角符合较好,与三轴度脊线预计的结果也比较一致。 另外,比较了CTODⅠ型分量起裂临界值δi~1与临界宏观空穴扩张比V_(GC)作为韧窝型起裂判据时在本文模型中的适用性,发现两者预测的起裂载荷基本一致,相对而言,V_(GC)判据更加准确一些。文中还分析了V_G参数的变化情况。 文中还考察了加载过程中有效塑性区的扩展规律。分析表明塑性区的扩展有明显方向性,据此得到的塑性区扩展方向与剪切型断裂时的断裂路径比较接近,也与加载过程中韧带区出现的集中剪切滑移线的方向比较一致。 综上所述,本文通过对圆弧尖端裂纹的分析表明:对于韧窝型断裂的起裂,可以依据Ⅰ-Ⅱ复合型断裂的SX准则按照δi~1来预测起裂载荷,也可用V_(GC)判据来预测起裂载荷,二者结果相近;对于韧窝型断裂的断裂角,用CTOD矢量方向和三轴度脊线方向判断均和试验结果基本。本文分析还表明有效塑性区的扩展路径与试验中集中剪切型断裂的路径比较一致。 总之,本文的研究结果表明,裂尖宽度为0.12mm的非尖锐裂纹的断裂行为与尖锐裂纹基本相同,但起裂载荷较高。


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