05_裂纹扩展
疲劳裂纹扩展.
第五章疲劳裂纹扩展§5.1 概述前面介绍的内容为静载荷作用下的断裂准则。
构件在交变应力作用下产生的破坏为疲劳破坏，疲劳破坏的应力远比静载应力低。
一、疲劳破坏的过程1）裂纹成核阶段交变应力→滑移→金属的挤出和挤入→形成微裂纹的核（一般出现于零件表面）。
2）微观裂纹扩展阶段微裂纹沿滑移面扩展，这个面是与正应力轴成45°的剪应力作用面，是许沿滑移带的裂纹，此阶段裂纹的扩展速率是缓慢的，一般为10-5mm每循环,裂纹尺寸＜0.05mm。
3）宏观裂纹扩展阶段裂纹扩展方向与拉应力垂直，为单一裂纹扩展，裂纹尺寸从0.05mm扩展至临a，扩展速率为10-3mm每循环。
界尺寸c4）断裂阶段a时，产生失稳而很快断裂。
当裂纹扩展至临界尺寸c工程上一般规定：①0.1mm～0.2mm裂纹为宏观裂纹；②0.2mm～0.5mm，深0.15mm表面裂纹为宏观裂纹。
N）宏观裂纹扩展阶段对应的循环因数——裂纹扩展寿命。
（pN）以前阶段对应的循环因数——裂纹形成寿命。
（i二、高周疲劳和低周疲劳高周疲劳：当构件所受的应力较低，疲劳裂纹在弹性区内扩展，裂纹的疲劳寿命较长。
（应力疲劳）低周疲劳：当构件所受的局部应力已超过屈服极限，形成较大的塑性区，裂纹在塑性区中扩展，裂纹的疲劳寿命较小。
（应变疲劳）工程中一般规定N≤105为低周疲劳。
f三、构件的疲劳设计1、总寿命法测定S－N曲线（S为交变应力，N为应力循环周次）。
经典的疲劳设计方法是循环应力范围（S－N）曲线法或塑性总应变法来描述导致疲劳破坏的总寿命。
在这些方法中通过控制应力幅或应变幅来获得初始无裂纹的实验室试样产生疲劳破坏所需的应力循环数和应变循环数。
N=Ni +Np(Ni萌生寿命，Np扩展寿命)2、损伤容限法（疲劳设计的断裂力学方法）容许构件在使用期内出现裂纹，但必须具有足够的裂纹亚临界扩展寿命，以保证在使用期内裂纹不会失稳扩展而导致构件破坏。
疲劳寿命定义为从某一裂纹尺寸扩展至临界尺寸的裂纹循环数。
控制裂纹扩展的方法
控制裂纹扩展的方法
控制裂纹扩展的方法主要有以下几种：
1. 主动控制法：通过施加外部作用力或能量，对裂纹扩展进行主动控制。
例如，利用压应力场、钻孔方法、外力作用、设置障碍等方法，改变裂纹扩展的方向和速度，以达到控制裂纹扩展的目的。
2. 被动控制法：通过改变材料的力学性能、显微组织、环境介质等，降低裂纹扩展的驱动力，抑制裂纹的扩展。
例如，优化材料成分和组织结构、进行表面涂层处理、改善环境介质等。
3. 复合控制法：将主动控制法和被动控制法相结合，综合施加外部作用力和能量以及改变材料性能等手段，对裂纹扩展进行复合控制。
例如，在材料中设置能量吸收机构、利用胶粘剂或焊接方法等。
以上方法各有特点，选择哪种方法要根据具体情况而定。
在实际应用中，需要根据裂纹的性质、材料的特点以及使用要求等因素综合考虑，选择最合适的方法来控制裂纹扩展。
裂纹扩展的基本形式
裂纹扩展的基本形式裂纹扩展是材料在受外力作用下发生应力集中导致裂纹出现，并随着外力的继续作用而扩展的现象。
在材料的设计和极限状态的评估中，裂纹扩展行为是非常重要的考虑因素。
1.静态裂纹扩展：在静态加载（恒定荷载或较低的加载速率）下，裂纹产生并快速扩展，材料发生失效。
静态裂纹扩展的速率较慢，通常以数毫米至数厘米为单位。
一般情况下，静态裂纹扩展是裂纹疲劳失效的前期过程。
2.疲劳裂纹扩展：在交变荷载循环加载下，由于应力集中，材料开始出现裂纹并随着荷载循环的进行而扩展，最终导致材料失效。
疲劳裂纹扩展速率一般较快，依赖于加载频率、应力幅值和裂纹尺寸等因素。
疲劳裂纹扩展还受到材料的韧度和强度等机械性能的影响。
3.脆裂纹扩展：脆材料在受载时，会突然发生大幅度的扩展，形成明显的裂纹，称为脆裂纹扩展。
脆裂纹扩展速率很快，可能在无明显预警的情况下突然失效。
脆裂纹扩展往往发生在温度较低的环境中，如低温下的金属结构。
4.粘性裂纹扩展：粘性材料在受到荷载后，由于材料内部的粘滞特性，裂纹扩展速率较慢，并出现较大的能量消耗。
粘性裂纹扩展过程中的材料变形和裂纹面上的摩擦阻尼会导致能量损耗，降低裂纹扩展速率。
粘性裂纹扩展常发生在高温材料中，如高温合金。
裂纹扩展还可以按照裂纹形态分类。
常见的裂纹形态有直线型、曲线型和分叉型等。
直线型裂纹扩展速率较快，通常发生在高强度的材料中。
曲线型裂纹扩展速率较慢，常发生在韧性材料中。
分叉型裂纹扩展在材料受到复杂应力状态作用下产生，扩展速率较快且不稳定。
总之，裂纹扩展的形式多种多样，不同材料在不同加载条件下呈现出不同的裂纹扩展特征。
准确理解裂纹扩展形式对材料的设计和工程实践具有重要意义，有助于预测和控制材料失效。
裂纹扩展阻力曲线
裂纹扩展阻力曲线
裂纹扩展阻力曲线是指描述材料在裂纹扩展过程中，阻力与裂纹长度或宽度之间关系的曲线。
这种曲线通常用于评估材料在受到破坏性应力或温度等条件下的耐久性和稳定性。
在材料科学中，裂纹扩展是一个重要的过程，它通常发生在材料受到外力或环境条件的影响下。
裂纹扩展阻力曲线可以描述材料在裂纹扩展过程中的阻力变化，包括初始阶段、加速阶段和减速阶段。
在初始阶段，材料抵抗裂纹扩展的能力较弱，随着裂纹的逐渐形成和扩展，阻力逐渐增加，进入加速阶段。
在这个阶段，裂纹扩展速度加快，阻力曲线呈现出陡峭的趋势。
在减速阶段，裂纹扩展速度逐渐减慢，阻力曲线趋于平缓。
通过分析裂纹扩展阻力曲线，可以评估材料在不同条件下的性能和稳定性，为材料设计和应用提供重要的参考依据。
在实际应用中，可以根据裂纹扩展阻力曲线来评估材料的耐久性和可靠性，从而优化材料的选择和应用。
金属材料中裂纹扩展研究
金属材料中裂纹扩展研究随着现代制造技术的发展，金属材料的使用范围不断扩大，人们越来越关注金属材料的机械性能，并对其力学行为进行了深入的研究。
其中，金属材料中的裂纹扩展行为是一个非常重要的研究领域。
裂纹是由于材料内部的局部应力超过其强度极限而产生的断裂现象。
而裂纹扩展是指裂纹在材料内部不断扩展的过程。
裂纹的扩展过程会导致材料强度下降，最终导致材料失效或断裂。
因此，研究裂纹的扩展行为能够为金属材料在实际应用中的安全性能提供重要的参考依据。
实验方法对于金属材料中的裂纹扩展研究，科研工作者们通常采用一些测试方法进行研究。
其中，最常用的方法包括：减载测试、断裂韧度测试、应变控制测试等。
减载测试是一种简单有效的测试方法。
在该方法中，科研人员首先在材料上制造一个小的初始裂纹，然后对材料进行载荷测试，观察并记录裂纹扩展的变化。
该测试法的优点在于实现简单，测试适用范围广。
断裂韧度测试是一种非常精细的测试方法。
该方法通常需要进行若干次试验以获得准确的数据。
在该测试中，科研人员通过观察材料力学性能的变化来研究其裂纹扩展行为。
应变控制测试也是一种常用的测试方法。
在该方法中，科研人员通过控制材料的应变来观察材料的破坏过程。
该方法能够有效地评估材料的裂纹扩展行为。
影响因素在研究金属材料中的裂纹扩展行为时，科研人员需要探寻裂纹扩展的影响因素。
目前，已经有很多因素被证明会对金属材料中的裂纹扩展产生影响，包括：材料的组织结构、预应力、温度、应变率等。
材料的组织结构是影响裂纹扩展的关键因素之一。
对于多晶体金属材料而言，晶界就是一个非常脆弱的区域。
因此，晶界往往是裂纹扩展的重点区域。
此外，材料的组织结构还会影响裂纹扩展的路线。
预应力是另一个影响裂纹扩展行为的重要因素。
在金属材料中，预应力会改变裂纹的传播方向，从而影响材料的破坏模式。
温度也会影响裂纹的扩展行为。
在低温下，材料的韧性会下降，从而初始裂纹扩展，导致材料破坏。
而在高温下，裂纹扩展时会发生塑性变形，从而影响材料的强度。
裂纹扩展的扩展有限元模拟实例详解
裂纹扩展的扩展有限元模拟实例详解(总9页)本页仅作为文档页封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March基于ABAQUS 扩展有限元的裂纹模拟化工过程机械 622080706010 李建1 引言1.1 ABAQUS 断裂力学问题模拟方法在abaqus中求解断裂问题有两种方法（途径）：一种是基于经典断裂力学的模型；一种是基于损伤力学的模型。
断裂力学模型就是基于线弹性断裂力学及其基础上发展的弹塑性断裂力学等。
如果不考虑裂纹的扩展，abaqus可采用seam型裂纹来分析(也可以不建seam，如notch型裂纹)，这就是基于断裂力学的方法。
这种方法可以计算裂纹的应力强度因子，J积分及T-应力等。
损伤力学模型是指基于损伤力学发展而来的方法，单元在达到失效的条件后，刚度不断折减，并可能达到完全失效，最后形成断裂带。
这两个模型是为解决不同的问题而提出来的，当然他们所处理的问题也有交叉的地方。
1.2 ABAQUS 裂纹扩展数值模拟方法考虑模拟裂纹扩展，目前abaqus有两种技术：一种是基于debond的技术（包括VCCT）；一种是基于cohesive技术。
debond即节点松绑，或者称为节点释放，当满足一定得释放条件后（COD 等，目前abaqus提供了5种断裂准则），节点释放即裂纹扩展，采用这种方法时也可以计算出围线积分。
cohesive有人把它译为粘聚区模型，或带屈曲模型，多用于模拟film、裂纹扩展及复合材料层间开裂等。
cohesive模型属于损伤力学模型，最先由Barenblatt引入，使用拉伸-张开法则（traction-separation law）来模拟原子晶格的减聚力。
这样就避免了裂纹尖端的奇异性。
Cohesive 模型与有限元方法结合首先被用于混凝土计算和模拟，后来也被引入金属及复合材料。
Cohesive界面单元要服从cohesive 分离法则，法则范围可包括粘塑性、粘弹性、破裂、纤维断裂、动力学失效及循环载荷失效等行为。
第09讲：裂纹扩展分析和裂纹扩展寿命计算
变
。
27
何时裂纹停止扩展？ 何时裂纹停止扩展？ 最大有效应力为零时停止扩展。
(σ max )eff = σ max − σ red
而 σ red = σ ap − σ max
=0
所以 σ ap = 2σ max 即超载比ROL=2时裂纹停止扩展。 但这与实际情况不符；R=0时，铝合金临界超载比 为2.3；钛合金的临界超载比为2.8。
疲劳裂纹扩展寿命是指裂纹在交变载荷的作用 下，由某一长度扩展到另外一长度的加载次数。 初始裂纹尺寸、检修周期、检测手段的确定等 都需要进行裂纹扩展寿命的计算。 裂纹扩展寿命计算的基本依据就是材料的裂纹 扩展速率da/dN。
N = ∫ dN = ∫
ac dN 1 da = ∫ da a0 da dN da
da = Cpi r dN 0
ap − ai Ry
m
减缓系数： Cp能反映超载后裂纹扩展 速率变化的真实情况。系数m需要实验测定，且依 赖于谱型，使用时不甚方便。
24
Willenberg模型 模型
25
Willenberg模型 Willenberg模型
9
注意事项
上述公式中材料常数C、n不能完全互换 不能完全互换； 不能完全互换 材料常数必须与公式适用范围相匹配 匹配； 匹配 许多材料常数是有量纲的，注意量纲的换算 量纲的换算； 量纲的换算 应用时要考虑环境的影响；
10
本讲内容
1 2 3 4
恒幅载荷下裂纹扩展速率表达式
变幅载荷下裂纹扩展特性
变幅载荷下裂纹扩展计算模型 疲劳裂纹扩展寿命计算
Willenberg认为，裂 纹在超载区如果要消除 迟滞效应的影响，必须 使施加载荷产生的塑性 区恰好与超载塑性区边 界相切。 2
无机材料的断裂及裂纹扩展课件
裂纹的萌生和扩展
初始裂纹在外部载荷的作 用下逐渐扩大并萌生新的 裂纹，这些裂纹相互作用 并形成裂纹扩展的路径。
最终断裂
当裂纹扩展到一定程度时 ，材料发生最终断裂。
裂纹扩展的速率控制
应力强度因子
应力强度因子是控制裂纹扩展速 率的一个重要参数，它表征了裂
01
线弹性断裂力学是研究材料在弹性范围内发生的断裂行为，适
用于材料在断裂前没有发生塑性变形的情形。
应力和应变的关系
02
在材料发生断裂前，应力和应变的关系是线性的，遵循胡克定
律。
弹性模量和泊松比
03
描述材料在弹性范围内对变形响应的两个重要参数是弹性模量
和泊松比。
弹塑性断裂力学
01
弹塑性断裂力学的定义和适用范围
，越不容易发生断裂。
应力集中
应力集中是指在材料中存在的 一些缺陷或不平整区域，这些 区域容易产生应力集中，降低 材料的强度。
温度和湿度
温度和湿度也会影响材料的强 度和韧性，进而影响材料的断 裂性能。
加载速度
加载速度越快，材料的断裂时 间越短，越容易发生脆性断裂
。
02
无机材料的裂纹扩展
裂纹扩展的机制
无机材料的断裂及裂纹扩展课件
目录
• 无机材料断裂概述 • 无机材料的裂纹扩展 • 无机材料的断裂力学 • 无机材料的断裂及裂纹扩展实验研究 • 无机材料的断裂及裂纹扩展研究进展 • 无机材料的断裂及裂纹扩展在工程中的应
用
01
无机材料断裂概述
断裂定义与分类
断裂定义
断裂是指材料在应力或温度等外 部因素作用下，内部应力超过材 料强度，导致材料结构破坏的现 象。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
???
C IF(INDEX .GT. 0.5) THEN ST1=0.D0 ST2=0.D0 ENDIF
华中科技大学船海学院 袁锐
Fracture Mechanics
4
L 500mm, a0 500mm, h 10.0mm, B 50.0mm
E 200103 MPa, v 0.3, GIc 9.6278N / mm
7
Fracture Mechanics
华中科技大学船海学院 袁锐
8
Fracture Mechanics
华中科技大学船海学院 袁锐
3
线状裂纹的静态扩展
C IF(INDEX .LT. 0.5) THEN INDEX=INT(G1/G1C+G2/G2C) SVARS(8)=INDEX IF(INDEX .GE. 1) THEN SVARS(8)=INT(INDEX/INDEX+0.0001) ENDIF ENDIF
HUST-XD-B-0111-2014
裂纹扩展
Fracture Mechanics
华中科技大学船海学院 袁锐
1
裂纹扩展的模拟就是描述结构中裂纹随时间或者载荷的演变过程。 模拟中有两个关键因素： （1）描述裂纹演化的模型化技术 （2）数值模拟软件平台的搭建。
建模技术
归根结底，裂纹的存在是一种几何不连续性的表现，裂纹的扩 展表现为新的裂纹面，即几何不连续的演变。在有限元分析中，裂 纹可以在三个不同的层次上描述 （1）整体模型 （2）单元内部 （3）节点之间 整体模型。最直截了当的方法是在整个裂纹体的层次上模拟裂纹扩展。 如利用自适应网格技术。一旦确定了裂纹的走向和扩展量，就围绕新的裂 纹重新划分网格。即随着裂纹的扩展，网格不断变化。暂且不讨论这种方 法是否真的准确可靠，就是计算量都非常大，而且必须有网格生成器才能 进行。为了降低计算量，可以采用局部网格重划，例如移动奇异单元法等。 裂纹也可以在单元内部刻画。尽管人们已经提出了各种各样的技术， 但基本可以分为两大类型。一类方法是通过构造特殊的形函数来表征裂纹 的存在与否。可以在形函数中增加一项，使得形函数在单元内部连续，用 这种不连续性来表明裂纹的存在，如扩展有限元法（X-FEM）。也可以采用 相同的形函数，但其系数不同引入不连续性，如弥散裂纹法。另一类是弱 化单元的性质（或单元的删除）来表征裂纹的扩展。即当某个特定的判据 在某个单元中得到满足后，该单元的性质（例如弹性模量等）将被设置成 一个很小的量，如失效单元法。 最简单的产生新裂纹的方法是节点分离（或节点释放）技术。这项技 术被证明是最为稳定可行的。其局限是裂纹只能沿着已经存在的单元边扩 展。使用这种方法时，最初被约束在一起的，即拥有相同坐标的两个单元 的边，通过释放约束分离，从而产生新的裂纹面，实现裂纹扩展。该方法 产生可见的几何不连续的裂纹面。如果裂纹的轨迹事先知道，该技术被证 明是非常高效稳定的。 Fracture Mechanics
P
9 EI 2 a BG IC 3EI P 34 9 EI 2 BG IC
华中科技大学船海学院 袁锐
14
Fracture Mechanics
5
当裂纹没有扩展时，裂纹长度与挠度关系满足
9 EI 2 a BG I
P, Δ
2h P, Δ
a0 0
2L
Analytical
伯努利梁理论：
图5.36 纯I型断裂的双悬臂梁试样
P
3EI a3
GI
9 EI 2 Ba 4
当裂纹没有扩展时，载荷与挠度关系满足
P
P
3EI 3 a
当裂纹扩展时，上式中a值逐渐增加，此时可以用能量释放率 表达式消去中间变量a，载荷与挠度的关系描述为：
华中科技大学船海学院 袁锐
2
软件平台
虚拟裂纹闭合法可以用在有限元分析之后，即对有限元分析给出的结 果做一些额外的数据处理来计算能量释放率。这些额外的数据处理很容易 被添加到自己编写的有限元程序中去。 然而，但它被用来和通用商业有限元软件相结合时，这些额外的数据 处理就会引起一些不便。对于稳态裂纹而言，这样做虽然过程重复且容易 出错，但仍然是可行的；对于扩展裂纹而言，这些额外的计算使得分析过 程异常的繁琐和复杂。此时，对应于每个载荷水平，用户必须将一个裂纹 扩展过程分解成一系列连贯的步骤：进行有限元分析；用虚拟裂纹闭合法 计算能量释放率；判断裂纹是否扩展；重新划分网格；再次启动有限元分 析。周而复始的重复这个过程。显然，这是一个人工操作的间断过程。 解决此问题的方法： （1）开发与通用有限元软件对接的专用软件。 （2）在通用有限元软件的平台上开发断裂单元。
14
Analytical
P
1500
1000
500
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
a
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Fracture Mechanics
华中科技大学船海学院 袁锐
6
Abaqus
载荷P
1500
1000
500
0
0
20
40
60
80
100120140来自160180200
挠度Δ 裂纹长度a
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
挠度Δ
Fracture Mechanics
华中科技大学船海学院 袁锐