_弹塑性断裂力学
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弹塑性断裂理论简介线弹性断裂力学是建立在线弹性力学基础上的,传统断裂力学理论认为,它没能考虑裂纹尖端附近塑性性区的影响,因而只适用于高强度(钢)脆性材料,对于工程中大量使用的中、低强度钢等具有较好塑性的材料是不适用的。
为了将应力强度因子推广到裂纹尖端有小范围塑性区的情况,人们推出了应力强度因子塑性区的修正方法,但适用性并不理想。
为了研究塑性材料的断裂问题,又产生了断裂力学的另一个分支——弹塑性断裂力学。
1. COD 原理及其判据Wells 根据裂纹尖端附近产生大范围屈服时,在裂纹尖端出现钝化,裂纹侧面随着外载增加逐渐张开的现象,提出来是否可用裂纹尖端的张开位移作为控制裂纹失稳扩展的参量。
裂纹的张开位移定义为承受外载情况下裂纹体的裂纹尖端沿垂直于裂纹方向产生的位移,一般用δ表示。
在裂纹失稳扩展的临界状态下,临界的COD 用c δ表示。
c δ也是材料的断裂韧性,是通过实验测定的材料常数。
COD 原理的基本思想是:把裂纹体受力后裂纹尖端的张开位移δ作为一个参量,而把裂纹失稳扩展时的临界张开位移c δ作为材料的断裂韧性指标,用c δδ=这个判据来确定材料在发生大范围屈服断裂时构件工作应力和裂纹尺寸间的关系。
2. J 积分理论1968年,Rice 提出了J 积分理论。
对于二维问题,J 积分的定义如下:⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-Γ=ds x v T x u T Wdy J y x (2-1) Γ--积分回路;ds --Γ上的弧元素;W --应变能密度;y x T T ,--应力分量;v u ,--位移分量;其中,积分回路的起点和终点分别位于裂纹的下表面和上表面,为逆时针回路,如图2-1所示。
J 积分的单位为MPa* mm 。
图2-1 裂纹尖端J 积分路径J 积分是围绕裂纹尖端的闭合曲线积分,在线弹性情况下有:E2I I K G J == (平面应力) (2-2) )1(E22I I v K G J -== (平面应变) (2-3) J 积分断裂准则可表述为:c J J = (2-4)其中,Jc 为裂纹扩展达到临界状态时的J 积分临界值。
混凝土弹塑性断裂力学概述与线弹性体不同的是,当含裂缝的弹塑性体受到外荷载作用时,裂缝尖端附近会出现较大范围的塑性区,线弹性断裂力学将不再适用,而需要采用弹塑性断裂力学的方法。
弹塑性断裂力学的主要任务,就是在考虑裂缝尖端屈服的条件下,确定能够定量描述裂缝尖端场强度的参量,进而建立适合工程应用的断裂判据。
目前应用最广泛的包括裂缝尖端张开位移(Crack Opening Displacement,COD)(Wells,1962)理论和J积分理论(Rice,1968a,b)。
一、Orowan对Griffith理论的改进试验证实,Griffith理论只适用于理想脆性材料的断裂问题,实际上绝大多数金属材料在裂缝尖端处存在屈服区,裂缝尖端也因屈服而钝化,使得Griffith 理论失效。
在Griffith理论提出二十多年之后,Orowan(1948)和Irwin(1955)通过对金属材料裂缝扩展过程的研究指出:弹塑性材料在其尖端附近会产生一个塑性区,该区域的塑性变形对裂缝的扩展将产生很大的影响,为使裂缝扩展,系统释放的能量不仅要供给裂缝形成新自由表面所需的断裂表面能,更重要的是需要提供裂缝尖端塑性流变所需的塑性应变能(通常称为“塑性功”)。
所以,“塑性功”有阻止裂缝扩展的作用。
裂缝扩展单位面积时,内力对塑性变形所做的“塑性功”称为“塑性功率”,假设用Γ表示,则对金属材料应用Griffith理论时,式(2.4b)和式(2.5)应修正为对于金属材料,通常Γ比γ大三个数量级,因而γ可以忽略不计,则式(2.33)和式(2.34)可改写为以上即为Orowan把Griffith理论推广到金属材料情况的修正公式。
以上是针对平面应力状态讨论的,当平板很厚时,应视为平面应变状态,只要把上述公式中的E用代替即得平面应变状态下相应的解。
二、裂缝尖端的塑性区金属材料裂缝尖端会形成塑性区,裂缝扩展所需要克服的塑性功在量级上可高达断裂表面能的三个数量级。