05_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(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。

裂纹扩展的三种基本形式
裂纹扩展是指材料中存在的裂缝在外部作用力的作用下逐渐变长，最终导致断裂的过程。

其三种基本形式如下：
1. 延伸型裂纹扩展：该形式的裂纹扩展是指裂纹从其起始点沿着材料表面或内部延伸，并逐渐变长。

这种裂纹扩展的主要原因是拉伸或剪切力的作用，使裂纹不断扩展并延伸到材料的其他部分。

2. 分离型裂纹扩展：该形式的裂纹扩展是指裂纹在材料中形成分离面，随着外部作用力的增加，裂纹沿着分离面延伸，最终导致材料断裂。

这种裂纹扩展通常出现在脆性材料中，如玻璃、陶瓷等。

3. 疲劳型裂纹扩展：该形式的裂纹扩展是指裂纹在材料中由于反复的应力加载和卸载而逐渐扩展。

这种裂纹扩展通常出现在金属材料中，如铝、钢等。

在疲劳型裂纹扩展过程中，裂纹的扩展速度取决于应力水平、周期和材料的疲劳寿命。

扩展有限元方法和裂纹扩展1.1扩展有限元方法(XFEM)基本理论1999 年，美国Northwestern University 的Belytschko 和Black 领导的研究小组提出了扩展有限元方法，为解决裂纹这类强不连续问题带来了曙光。

他们正式应用扩展有限元法(XFEM)这一专业术语是在2000年，截止到目前，扩展有限元法(XFEM)成为我们解决强不连续力学问题的最有效的数值计算方法，也成为计算断裂力学的重要分支。

XFEM在有限元的框架下进行求解，无需对构件内部的物理界面进行网格划分，具有常规有限元方法的所有优点。

它最明显的特点是用已知的特征函数作为形函数来使传统有限元的位移得到逼近，进而克服了在裂纹尖端和变形集中处进行高密度网络划分产生的困难，方便地模拟裂纹的任意路径，而且计算精度和效率得到了显著的提高⑹。

扩展有限元方法是将已知解析解的特征函数作为插值函数增强传统有限元的位移逼近，来使得单元内的真实位移特性得以体现，裂纹尖端和物理或儿何界面独立于有限元网格。

XFEM主要包括以下三部分内容：首先是不考虑构件的任何内部细节，按照构件的儿何外形尺寸生成有限元网格；其次，采用水平集方法跟踪裂纹的实际位置；根据已知解，改进影响区域的单元的形函数，来反映裂纹的扩展。

最后通过引入不连续位移模式来表示不连续儿何界面的演化。

因为改进的插值函数在单元内部具有单元分解的特性，其刚度矩阵的特点与常规有限元法的刚度矩阵特性保持一致。

单元分解法(Partition Of Unity Method)和水平集法(Level Set Method).节点扩展函数构成了扩展有限元法的基本理论，其中，单元分解法是通过引入加强函数讣算平面裂纹扩展问题，保证了XFEM的收敛性; 水平集法是跟踪裂纹的位置和模拟裂纹扩展的常用数值方法，任何内部儿何界面位置都可用它的零水平集函数来表示。

(1)单元分解法的基本思想是任意函数处工)都可以用子域内一组局部函数Ng(x)表示，满足如下等式：此丫)=工"应沁) ⑴I其中，它们满足单位分解条件：玄/%丫) = 1 M⑴是有限元法中的形函数，根I据上述理论，便可以根据需要对有限元的形函数进行改进。

钢的裂纹扩展参数钢材是一种常见的金属材料，因其优异的机械性能而被广泛应用于建筑、桥梁、汽车、航空航天等领域。

钢材在使用过程中可能会受到外部力量的作用而产生裂纹，裂纹的扩展对钢材的强度和安全性有着非常重要的影响。

对钢材的裂纹扩展参数进行深入的研究和分析，对于提高钢材的使用性能具有重要的意义。

一、裂纹扩展参数的基本概念1.应力强度因子K应力强度因子K是描述裂纹尖端附近应力场分布的参数。

它是裂纹尖端处应力强度的一个函数，用来刻画裂纹尖端附近应力场的强度。

在弹性断裂力学中，裂纹尖端处的应力场可以用应力强度因子K来表征。

当材料受到外部拉伸时，如果存在裂纹，则裂纹尖端处的应力场会出现集中，应力强度因子K的大小与裂纹尖端处的应力场的强度有关。

2.裂纹尖端开合应力T裂纹尖端开合应力T是描述裂纹尖端处应力状态的参数。

裂纹尖端处存在T应力，导致了裂纹的扩展。

裂纹的扩展速率与裂纹尖端处的开合应力T是密切相关的。

3.裂纹尖端张开力G裂纹尖端张开力G是描述裂纹尖端处开裂的能量。

对材料而言，裂纹尖端的张开力G表示了裂纹在材料中扩展所需的能量，是裂纹扩展中一个非常重要的物理参数。

二、裂纹扩展参数的测试和测量方法1. K值的测试测量钢材中裂纹尖端的应力强度因子K值的方法有很多种，比较常用的有压缩预裂纹法、准静态法和动态法。

压缩预裂纹法是基于在压实试件中引入预裂纹，并通过对试件施加不同程度的应力来计算裂纹尖端处的应力强度因子K值。

准静态法是将试件加载到接近稳定状态，然后根据裂纹尖端处应力应变场的分布来计算K值。

动态法则是通过气炮等装置来施加高速载荷，通过对裂纹尖端处的应力场进行测量来计算K值。

2. T值和G值的测试裂纹尖端开合应力T值和裂纹尖端张开力G值的测试一般需要借助专门的试验装置，如拉伸试验机、冲击试验机等。

测试时需要引入预先制备好的裂纹，然后施加相应的载荷，通过对裂纹扩展以及载荷大小的监测来计算裂纹尖端处的T值和G值。

三、影响钢材裂纹扩展参数的因素1. 温度温度是影响钢材裂纹扩展参数的重要因素之一。

钢的裂纹扩展参数钢的裂纹扩展参数是评估材料的裂纹扩展性能的重要指标之一。

裂纹扩展参数描述了裂纹在材料中扩展的速率和路径，对于预测材料在应力作用下的疲劳寿命和可靠性具有重要意义。

本文将从裂纹扩展速率、裂纹扩展路径和裂纹扩展阈值三个方面介绍钢的裂纹扩展参数。

一、裂纹扩展速率裂纹扩展速率是指裂纹在单位时间内扩展的长度。

它是评估材料抗裂纹扩展能力的重要参数。

通常用裂纹扩展速率系数(da/dN)来表示，即单位周期内裂纹长度的增量与单位周期的循环次数之比。

裂纹扩展速率系数与应力强度因子之间存在一定的关系，可以通过实验测定或计算得到。

裂纹扩展速率系数越小，说明材料的抗裂纹扩展能力越强，疲劳寿命越长。

二、裂纹扩展路径裂纹扩展路径是指裂纹在材料中扩展的方向和形态。

裂纹扩展路径与材料的晶体结构、应力状态和加载方式等因素有关。

通常情况下，裂纹扩展路径会沿着应力集中区域和材料的弱点扩展，如晶界、夹杂物等。

裂纹扩展路径的研究对于材料的设计和改进具有重要意义。

通过调整材料的组织结构和力学性能，可以改变裂纹扩展路径，提高材料的抗裂纹扩展能力。

三、裂纹扩展阈值裂纹扩展阈值是指裂纹开始稳定扩展所需要的最小应力强度因子。

在应力水平低于裂纹扩展阈值时，裂纹不会继续扩展，材料的疲劳寿命会大大延长。

裂纹扩展阈值是材料抗裂纹扩展能力的重要参数，也是评估材料疲劳性能的关键指标之一。

裂纹扩展阈值的测定通常需要进行一系列的疲劳试验，通过绘制裂纹扩展速率与应力强度因子的关系曲线，确定裂纹扩展阈值。

钢的裂纹扩展参数是评估钢材料抗裂纹扩展能力的重要指标，对于预测钢材料的疲劳寿命和可靠性具有重要意义。

裂纹扩展速率、裂纹扩展路径和裂纹扩展阈值是钢的裂纹扩展参数的主要内容。

通过对这些参数的研究，可以了解钢材料在应力作用下的裂纹扩展规律，进而指导钢材料的设计和使用。

在实际应用中，需要根据具体的工程要求和材料性能选择合适的钢材料。

钢的裂纹扩展参数可以通过实验测定或计算得到，但需要注意的是，不同钢材料的裂纹扩展参数可能存在差异。