第三章_弹塑性断裂力学

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(2) δ的表达式 由实验直接准确地测量出裂纹尖端张开位移是困
难的，目前均利用三点弯曲试样的变形几何关系，由 测得的裂纹嘴的张开位移V去推算求出裂纹尖端的张 开位移δ 。为此必须建立δ与V之间关系式。
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三点弯曲试样受力弯曲时，滑移线场理论分析表
明，裂纹尖端塑性变形引起的滑移线对称平分缺口夹
角2θ的平面，试样的变形可视为绕某中心的刚体转动。
R
a
sec
2
s
1
若将 s e c 按级数展开，则 2 s
sec2 s 11 22 s22542 s4LL
2
当
/
s 较小时，
sec
2s
1 1 22s
（6）
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代入式（6），得R的近似表达式为：
R
a
2
2
s
2
（7）
考虑到无限大平板有中心穿透裂纹时， a KI，有：
R8KsI
2
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4）D-B带状塑性区模型的COD Dugdale通过拉伸试验，提出裂纹尖端塑性区呈
现尖劈带状特征的假设，从而得到一个类似于 Barrenblett的模型。该模型称为D-B模型，这是一个对 小范屈服和大范围屈服都适用的模型，可以用来处理 含中心穿透裂纹的无限大薄板在均匀拉伸应力作用下 的弹塑性断裂问题。
该中心点（图中的C点）到裂纹尖端的距离为r（Wa），r为转动因子。利用相似三角形的比例关系容易
写出：
V
rWa zarWa
故
rWaV zarWa
式中，z为刃口的厚度。
（20）
对弹塑性情况， δ可由弹性的δe和塑性的δp两部分
组成，即：
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e P
（21）
式中， δe为对应于载荷P的裂纹尖端弹性张开位移，
D-B模型是一个无限大板含中心穿透裂纹的平面 应力模型。由于它消除了裂纹尖端点的奇异性，实质 上是一个线弹性化的模型。因此，当塑性区较小时， COD参量δ与线弹性参量K之间存在一致性。由式 （9），将函数展开为幂级数得：
8E sa 1 2 2 s 2 . 1 1 2 2 s 4LL
重要参量。它和KIC一样，是材料韧性好坏的量度， 可以通过试验测定。
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COD试验方法适用于线弹性断裂力学失败的延性
断裂情况，可以认为是KIC试验的延伸。因此，试验 的许多具体方法沿用了KIC试验的有关规定。譬如利
用同样的夹式引伸仪和载荷传感器来获得载荷-位移 曲线。但由于COD试验又具有本身的一些特点。
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（2）带状塑性区的大小R
假想地把塑性区挖去，在弹性区与塑性区界面上
加上均匀拉应力σs ，于是得到如图2b所示的裂纹长度 为2c，在远场应力σ和界面应力σs作用下的线弹性问
题。
此时裂纹尖端点c的应力强度因子K
C I
应由两部分组
成：一是由远场均匀拉应力σ产生的
K
，1 另一个是由
I
塑性区部位的“裂纹表面”所作用的均匀应力σs所产
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3）弹塑性断裂力学的提出
（1）解决如何通过小试样在全面屈服条件下断裂韧度 的测试去确定中、低强度重型构件的平面应变断裂韧 度KIC。
因为用线弹性断裂力学方法测定中、低强度钢的 断裂韧度KIC ，不仅需用大型试件和大吨位的试验机， 而且还由于大锻件不同部位的KIC差别很大，用大试 样所测得的KIC只是一个平均值，得不出各个具体部 位的KIC值。
第三章 弹塑性断裂力学
第一节 弹塑性断裂力学概述 第二节 COD理论 第三节 J积分理论
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第一节 弹塑性断裂力学概述
1）线弹性断裂力学的适用范围 （1）脆性材料，如玻璃、陶瓷、岩石，及高强度钢 等材料。 （2）小范围屈服的金属材料，可用小范围屈服的塑 性修正断裂准则来计算。
2）实际中的问题 （1）大范围屈服：对中、低强度构件，其塑性区尺 寸超过了裂纹尺寸。（低温、厚截面和高应变速率 下除外） （2）全面屈服：焊接件等由于局部应力和残余应力 的作用，使局部地区的应力超过屈服应力。
可有较小的安全裕度。 .
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5）COD准则的工程应用 COD准则主要用于韧性较好的中、低强度钢，特
别是压力容器和管道。考虑到压力容器壁中的“鼓胀 效应”及容器多为表面裂纹和深埋裂纹，故将平板穿 透裂纹的断裂力学公式用于压力容器和管道时，还需 进行一些修正。
（a） “鼓胀效应” 压力容器曲面上的穿透裂纹，由于器壁受有内压
（2）在大范围屈服条件下，确定出能定量描述裂纹尖 端区域弹塑性应力、应变场强度的参量，以便既能用 理论建立起这些参量与裂纹几何特征、外加载荷之间 的关系，又易于通过实验来测定它们，并最后建立便 于工程应用的断裂准则。
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第二节 COD理论
1）COD定义
1961年Wells提出COD理论。COD是英文（Crack Opening Displaement）的缩写，其意是“裂纹张开位 移”。指裂纹体受载后，裂纹尖端垂直于裂纹方向上 产生的张开量，就称主裂纹（尖端）张开位移，通常 用δ表示。
当σ/σs ＜ ＜ 0.6，即小范围屈服时，可只取首项，
故有
8s E
12
2s
2
a Es
（10）
因为 ，所以有： KI
a,GI
KI2 E
2a
KI2
GI
Es Es s
（11）
式（11）表示在小范围屈服条件下裂尖张开位移δ
与KI、GI之间的关系。该结果与Irwin有效裂纹模型所 得的结果式（3）比较，可见它们的形式相同，只是
COD，简写为δ 。
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由平面应力条件下的位移公式并代入k3/1 推演得：
VKI E
2 rsin221cos22
（2）
当以O’点为裂尖时，O点处(即 沿y方向的张开位移则为：
， r
ry
1 2
KI s
)2 ，
2V
r ry
1 2
KI s
2
4
K
2 I
E s
4GI
s
（3）
此即为Irwin提出的小范围屈服下的COD计算公式。 式中σs为材料的屈服极限，GI为裂纹扩展能量释放率。
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Wells
公式
e es
2
e es
e
es
1
e
es
1
（12）
Burdekin
公式
e es
2
e es
0.25
e
es
0.5
e
es
0.5
JWES2805标准： 3.5ea或
0.5
e es
（13） （14）
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1984年，我国压力容器缺陷评定规范编制组制定 了压力容器缺陷评定规范（CVDA）：
力，将使裂纹向外鼓胀，而在裂纹端部产生附加弯矩。 附加弯矩的附加应力与原工作应力迭加，使有效作用 增大，故按平板公式进行δ计算时，应在工作应力中 引入鼓胀系数M，用Mσ代替σ 。
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M系数与裂纹长度2a、容器半径R和壁厚t有关：
M 1 a2
Rt
（16）
其中 β为1.61（圆筒轴向裂纹）；0.32（圆筒径向裂纹）； 1.93（球形容器裂纹）。
其计算公式参见式（20）为：
e
G s
e es
2
1 2
e es
1
e
es
1
e
es
1
（15）
下图画出了几种设计曲线的比较图形。由图可见，
CVDA曲线在0≤ e/es ≤0.5范围内与Burdekn曲线相同； 在0≤ e/es ≤1.5范围内比Burdekn曲线偏于保守，有较高 的安全裕度；而在1.5< e/es <8.76范围内则比 JWES2805设计曲线偏于保守，但比其余的设计曲线
（b）裂纹长度修正 压力容器上的表面裂纹或深埋裂纹应换算为等效穿透裂纹。
非贯穿裂纹： KI= α σ(πa*)1/2 = σ[π(α a*)2]1/2 ，其中α为裂纹形 状因子。
无限大板中心穿透裂纹：KI=σ（πa*）1/2
按等效原则，令非贯穿裂纹的等于无限大板中心穿透裂纹
的，则等效穿透裂纹长度为：. a*= α2 a
系数稍有差别。
** 适用条件：(1)针对平面应力情况下的无限大平板
含中心穿透裂纹进行讨论的；(2)引入了“弹性”化假
设后，使计算分析比较简单，适用于σ/σs ≤0.6的情况； （3）在塑性区内假设材料为理想塑性，实际上一般
金属材料存在加工硬化，硬化材料的塑性区形状可能
不是窄条形的。工程结构或压力容器中，一些管道或焊接部件
（1）D-B模型假设：裂纹尖端的塑性区沿裂纹线两边 延伸呈尖劈带状；塑性区的材料为理想塑性状态，整 个裂纹和塑性区周围仍为广大的弹性区所包围；塑性
区与弹性区交界面上作用有均匀分布的屈服应力σs 。
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于是，可以认为模型在远场均匀拉应力σ作用下
裂纹长度从2a延长到2c，塑性区尺寸R=c-a，当以带 状塑性区尖端点c为“裂尖”点时，原裂纹（2a）的 端点的张开量就是裂纹尖端张开位移。
由含中心穿透裂纹的宽板拉伸试验，可绘出无量 钢COD即/2esa 与标称应变 e / e s 之间的关系曲线 。
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其中es是相应于材料屈服点σs的屈服应变，a是裂 纹尺寸，标称应变e是指一标长下的平均应变，通常 两个标点取在通过裂纹中心而与裂纹垂直的线上。
由图可以看出，实验数据构成一个较宽的分散带。 实际应用时，为偏于安全，曾提出如下经验设计曲线 作为裂纹容限和合理选材的计算依据。
裂纹张开位移的定义
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2）COD判据
Wells认为；当裂纹张开位移δ达到材料的临界值δC 时，裂纹即发生失稳扩展，这就是弹塑性断裂的COD 准则，表示为：