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材料强度的特征长度概念及破坏准则

郭凤明  
【摘要】:各类缺陷及微结构对材料强度及其使用寿命有非常重要的影响。现有的力学理论,对于不同形状及大小的缺陷(例如裂纹或孔洞),需要采用不同的理论、准则及强度特性进行评价,并且这些理论不仅是相对独立的,而且一些常见问题(如微小孔洞)仍无法解决。本研究的目的,是要建立一种能适合各种形状缺陷及大小的统一的强度或破坏评价方法。本研究的动机来自于一个工程力学界中被忽视的矛盾:一方面我们承认材料的强度特性(包括韧性)是材料所固有的,不因其几何形状的改变而改变;另一方面,对于不同形状的缺陷,却不仅要采用不同的理论进行分析,而且其评价参数及准则都是不同的,即使对同一种形状的缺陷,也会因其大小的不同而必须采用不同的理论(例如短裂纹与长裂纹);更有甚者,对于现代精密机械等中常见的微小孔洞问题,目前尚无有效的强度或寿命评价方法。 本研究的方法是先提出理论,然后仔细验证其可行性。提出理论的基本依据是材料强度学,而验证的方法包含两个方面,一是验证本理论退化后与现有理论的一致性,二是对现有理论尚无法解决的问题,通过实验来验证本理论的有效性。 本文的主要创新点如下: 第一,提出材料强度的特征断裂长度概念,并以此为依据建立可以适合各种缺陷形状及大小的统一的强度评价方法,为连续介质力学在多晶材料中的应用拓宽了范围。该特征断裂长度是从材料的固有属性中提取出的材料强度参数,因此不受材料几何形状和尺寸的影响,故可以应用到含各种缺陷的材料的脆性断裂判断中。把基于特征断裂长度的破坏准则应用到微小孔洞的静态拉伸脆性断裂实验中发现,理论预测与实验结果符合得较好,而这一问题,是现有理论尚无法评价的。 第二,通过分析晶体材料的屈服机理和讨论局部区域的塑性变形,指出屈服强度与脆性断裂强度一样,具有特征屈服长度。并根据位错塞积理论,得到多晶材料屈服特征长度的表达式。基于此特征屈服长度,建立了适用于不同尺寸缺陷的屈服强度准则,该准则解释了含有不同大小圆孔平板的屈服应力随孔径变化的规律。并且通过中心含有不同直径尺寸圆孔的平板在常温下的拉伸实验,验证了新提出的屈服准则。该问题也是传统的弹塑性理论所无法评价的。 第三,把特征长度概念扩展到疲劳领域,分别对疲劳强度的评价和疲劳寿命的预测进行了理论分析和实验验证。基于疲劳损伤也是由某一个损伤区域决定而不是由某一点状态决定的观点,提出当材料的特征疲劳长度内的平均应力振幅达到疲劳强度时,材料会发生疲劳破坏。为了验证此疲劳准则的有效性,采用高强度不锈钢SUS630H900进行了室温下的疲劳试验,理论预测与实验结果也比较一致。


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