基于能量原理的断裂力学参数.pdf

1、 来 稿 日 期:20 0 0-0 8-15 上 海 市 基 金 项 目 大 型 港 口 机 械 结 构 常 用 板 材 的 裂 纹 扩 展 规 律 研 究,项 目 编 号 为 9 7J G 50 55 第 一 作 者 董 达 善(19 56-),男,在 读 博 士,副 教 授,主 要 研 究 方 向 为 起 重 机 械 金 属 结 构、现 代 设 计 方 法、结 构 动力 学、结 构 的 疲 劳 损 伤 与 断 裂。K c K I C 用 断 裂 力 学 分 析 问 题 时,广 泛 应 用 的 是 K 判 据。本 文 从G r i f f i t h 能量 理 论 出 发,讨 论 了 延 性

2、 金 属 裂 纹 扩 展 的 能 量 平 衡 关 系,提 出 了 裂 尖 塑 性 区 的 变 形缩 聚 模 型 假 设,并 以 此 为 基 础,建 立 了 延 性 金 属 材 料 的 K c 与K I C 的 关 系 式,为 断 裂强 度 设 计 和 断 裂 失 效 分 析 提 供 了 实 用 的 估 算 公 式,也 为 揭 示 断 裂 力 学 参 数 间 的 本质 关 系 作 了 有 益 的 探 索。断 裂 韧 性,G r i f f i t h 能 量 理 论,裂 纹 扩 展 O 346.1;O 346.2:K I;F c;K c;F I C;K I C;C;2a;I C;2;E;r p;

3、G;r I p;T;F;J I C。0 前 言,K,K I K I C,;K I K I C,。K I C。,3 8,:B a W-a 2.5(K I C/s)2(1),K I C。2。Q 235 d a=0.20 m m,J 0.2=85.3 178.4N/m m,J 0.2,d a=0.20 m m。,。K I C J I C:K 2I C=E J I C 1-2(2)J 0.2 132N/m m,E=2105M P a,=0.3,Q 235 K I C,:K I C=E J i 1-2=21051321-0.0 9=5.386k N/m m 3/2(1):B=1320m m W=2 64

4、0m m L=10570m m,V=B W L=3.6834101 0m m 3;289 149.5k g。P F=K I C B W 1/2Y 1,Y 1=9.14(a/W=0.45),P F=5 3861320 2 6409.144.0107N 400 0 0 k N。,;,。1 G r i f f i t h 能 量 理 论G r i f f i t h 19 21,1 2。1,51 N o.4 董 达 善 等:基 于 能 量 原 理 的 断 裂 力 学 参 数K c 与 K I C 之 关 系 2a(2a W,),(),:U e=-2a 2E B=-2a 2E(3):,B,1。图 1G

5、 r i f f i t h 裂 纹 模 型 图 2G r i f f i t h 能 量 平 衡 图,U T,T,U T=4a T B=4a T(4)U=U e+U T=-2a 2E+4a T(5),d A,。,“”。2a,(2a)(U)=(2a)(U e+U T)=0-2a E+2T=0(6),(6)a=2T E 2=2T E a(7),T、E。,;,2a,c,2a c。G r i f f i t h。G r i f f i t h,G,G=-U e A=2a E(8)G“”“”,2T。G 2T,;,52 上 海 海 运 学 院 学 报20 0 0.。G。2 G r i f f i t h

6、 能 量 理 论 的 塑 性 修 正G r i f f i t h,G r i f f i t h、,。1:,T,F。,G r i f f i t h T T+F,T F,、,F T 4 6,T+F,T,a c=2E F 2 c=2E F a(9)(7)(9),。,、。,G r i f f i t h F T,:G c=2a E=2F(10)3 裂 尖 塑 性 区 的 变 形 缩 聚 模 型 假 设 及 K c 与K I C 关 系 式 的 建 立,1 G r i f f i t h,:K I=a(11)(11)(8),:G I=K 2c E()(12a)G I C=K 2I C E(1-2)

7、()(12b):K c=2E F c()K I C=2E F I C 1-2():,:K c=K I C(13);,(3);,r p 53 N o.4 董 达 善 等:基 于 能 量 原 理 的 断 裂 力 学 参 数K c 与 K I C 之 关 系图 3,=(r p-r)t g r p r I p 1(、,);,=s=K c K I C=F c F I C 1-2F c=V d A 1=sr p 0 d r=s t g r p 0(r p-r)d r=12 sr 2p t g:F I C=12 sr 2I p t g=F c F I C 1-2=r p r I p 1-2=1-2(14),

8、K c K I C。4 Q 235 材 料 K c 值 测 试 与K I C 值 的 估 算 7,Q 235 8m m、12m m、16m m、20 m m,30,K c,9 0%:(W-a)/B 16,K c=13.2417a r c t a n 0.39 2 5(W-a)/B+0.1239 1 2/180(W-a)/B 16,K c=18.72 1 2=15.33 16.17k N/m m 3/2,1,1=0.9;2,2=0.9 10.9 6;W。(),W/B,K c K c=15.33 16.17k N/m m 3/2。M i s e s,=2 2 1,=0.3,=1-22.7 K c=

9、K I C,:K I C=1K c=5.678 5.9 89 k N/m m 3/2 2 J 0.2(2)K I C。54 上 海 海 运 学 院 学 报20 0 0.5 应 用 前 景 K I C,K c,K I C K c。,(13)。、,、。(),(13)K I C K c,。,。K c,K c K I C,P a r i s K。1 周 惠 久,黄 明 志.金 属 材 料 强 度 学.北 京:科 学 出 版 社,19 89.176 2732 赵 少 汴,王 忠 保.抗 疲 劳 设 计 方 法 与 数 据.北 京:机 械 工 业 出 版 社,19 9 7.466 4803 梁 新 邦,李

10、 久 林,张 振 武.金 属 力 学 及 工 艺 性 能 试 验 方 法 国 家 标 准 汇 编.北 京:中 国 标 准 出 版 社,19 9 6.11 25,639 6664 沈 成 康.断 裂 力 学.上 海:同 济 大 学 出 版 社,19 9 65J.F.K n o t t,P.A.W i t h e y 著.断 裂 力 学 应 用 实 例.张 运 全,唐 国 翌 译.北 京:科 学 出 版 社,19 9 5.34 55 6M u g h r a b i H.P la s t i c D e f o r m a t i o n a n d F r a c t u r e o f M a

11、 t e r i a l s.V C H V e r la g s g e s e l l c h a f t m b H.19 9 3.466 6287 梅 潇.大 型 港 口 机 械 常 用 材 料 Q 235 平 面 应 力 状 态 下 的 断 裂 韧 性 测 试 与 研 究.硕 士 学 位 论 文:上 海 海运 学 院,20 0 08A S T M,E-39 9 T h e R e l a t io n s h i p b e t w e e n t h e F r a c t u r e M e c h a n ic s P a r a m e t e r s K c a n d K

12、 I C B a s in g o n t h e E n e r g y C o n s e r v a t i o n P r in c ip l e D o n g D a s h a n M e i X i a o S h i L a i d e A b s t r a c t W h e n a n a ly z e t h e f r a c t u r e m e c h a n i c s p r o b l e m s,t h e K c r i t e r i o n i s w i d e l y u s e d.W e p r o c e e d f r o m t h

13、 e G r i f f i t h e n e r g y c o n s e r v a t i o n p r i n c i p le,d i s c u s s t h e e n e r g y b a la n c e a b o u t t h e c r a c k g r o w t h o f d u c t i l e m e t a l,a n d t h e n p u t f o r w a r d a d e f o r m a t i o n a n d c o n d e n s a t i o n p o ly m e r i z a t i o n m

14、o d e l o n t h e p l a s t ic z o n e o f t h e c r a c k f r o n t.B a s i n g o n t h e m o d e l,w e f i n d a r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s t r e s s f r a c t u r e t o u g h n e s s K c a n d t h e s t r a i n f r a c t u r e t o u g h n e s s K I C.A b o v e i t,a p r a c t i

15、 c a l e s t i m a t e d f o r m u l a i s p u t f o r w a r d,w h i c h c a n b e u s e d f o r f r a c t u r e s t r e n g t h d e s i g n a n d f r a c t u r e f a i l u r e a n a l y s is.A n d a l s o i t i s a v a l u a b le p r o b e f o r r e v e a li n g t h e e s s e n t i a l r e l a t i o n s a m o n g t h e f r a c t u r e m e c h a n i c s p a r a m e t e r s.K e y w o r d sf r a c t u r e t o u g h n e s s,G r i f f t h e n e r g y p r i n c i p le,c r a c k p r o p a g a t i o n(责 任 编 辑 廖 粤 新)55 N o.4 董 达 善 等:基 于 能 量 原 理 的 断 裂 力 学 参 数K c 与 K I C 之 关 系