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摘 要 零件失效形式之一是脆性破壞,傳統(tǒng)防脆斷的方法不僅很保守,而且脆性破壞沒有得到有效的控制.本文就斷裂力學(xué)在實際工程的應(yīng)用進(jìn)行分析,探討帶裂紋零部件受到外加載荷、內(nèi)應(yīng)力的作用是否出現(xiàn)脆性斷裂,以及不斷裂的情況下的使用壽命等,一直是人們非常關(guān)注的重要問題.
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關(guān) 鍵 詞 斷裂力學(xué)；工程；應(yīng)用
中圖分類號TM591 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674—6708（2012）76—0127—02
0 引言
斷裂力學(xué)是主要研究含裂紋的構(gòu)件斷裂強度的學(xué)科,被廣泛的應(yīng)用在航空航天、橋梁、鐵路、船舶、建筑等工程領(lǐng)域,解決了很多生產(chǎn)問題.尤其是在設(shè)計抗斷、對構(gòu)件疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測、合理選材、制定科學(xué)質(zhì)量驗收的標(biāo)準(zhǔn)及檢測制度,在預(yù)防發(fā)生斷裂事故等方面起到非常關(guān)鍵的作用,是現(xiàn)代強有力的設(shè)計工具.采取斷裂力學(xué)的理論設(shè)計與分析工程結(jié)構(gòu),涉及到廣泛的領(lǐng)域知識、方法、經(jīng)驗,同時還需要通過復(fù)雜的運算與細(xì)微的分析,才能判斷出可靠真實的結(jié)論.所以,采用斷裂力學(xué)的理論構(gòu)建工程構(gòu)件的設(shè)計、分析及評估的系統(tǒng),能夠給工程技術(shù)提供快速且實用的工具,不僅可以節(jié)省大量的設(shè)計評估時間及人力,還可以在很大程度上提高了分析計算的真實可靠性[1].
1金屬斷裂的定義
金屬斷裂是指金屬在受到外加載荷以及內(nèi)應(yīng)力的作用下出現(xiàn)破碎,整個斷裂的過程是裂紋產(chǎn)生與裂紋擴展的過程.
1.1裂紋產(chǎn)生原因
裂紋產(chǎn)生主要是發(fā)生在構(gòu)件制造的過程中,比如在進(jìn)行焊接缺陷、機加工刀痕和在熱處理時的淬火裂紋等；材料在冶煉和鑄造的過程中形成疏松
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1.2裂紋擴展經(jīng)過
裂紋只要一形成,在應(yīng)力和環(huán)境的作用下,裂紋就會慢慢擴展,其擴展方式主要有張開型、滑開型以及撕開型三種.裂紋的這三種擴展方式最危險的是張開型,特別容易發(fā)生脆性斷裂,所以在裂紋體脆性斷裂的問題研究中,都是把張開型當(dāng)作研究的對象.張開型裂紋擴展有以下3種情況：
1）對于韌性材料,低碳鋼與材料在韌性到脆性的轉(zhuǎn)變溫度之上,在應(yīng)力超過了σs的時候,原先已經(jīng)出現(xiàn)的微裂紋就不在作不穩(wěn)定的擴展,而是在裂紋頂端形成新的微裂紋.是由于塑性撕裂導(dǎo)致微裂紋長大并且相互連接,當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界裂紋的尺寸ac的時候就會進(jìn)行不穩(wěn)定的快速的擴展,這種斷裂是因為裂紋發(fā)生擴展,進(jìn)而導(dǎo)致材料能夠承受載荷有效的面積被減少,當(dāng)有效面積小到某個臨界值的時候,使材料無法承受原來的載荷所造成的,如上圖所示.
2）對于脆性材料,高強鋼和超高強鋼以及材料在韌性到脆性的轉(zhuǎn)變溫度之下,在材料具有的長度初始裂紋a0的時候,應(yīng)力只要達(dá)到了斷裂的應(yīng)力σc,裂紋就會快速的傳播并且不需要繼續(xù)加大應(yīng)力就可以導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂,也就是說在裂紋的前端應(yīng)力場的強度因子KI已經(jīng)達(dá)到了材料斷裂的韌度KIC,使裂紋進(jìn)行快速的擴展而造成材料出現(xiàn)斷裂,如下圖所示.
3）在恒定載荷以及疲勞載荷的作用下,裂紋的擴展相對緩慢.當(dāng)在恒定和疲勞載荷下受到腐蝕環(huán)境的作用時,通過一定的孕育期之后,裂紋就會長大到達(dá)臨界裂紋的尺寸ac的時候,就會快速的發(fā)生擴展,從而導(dǎo)致材料出現(xiàn)斷裂,如下圖所示.
2.裂紋前端的應(yīng)力場強度因子和斷裂的韌度
2.1 應(yīng)力場的強度因子KI
通常KI的表達(dá)式是： KI等于Yσ,KI表示外加的應(yīng)力σ和裂紋的長度a以及裂紋形狀的系數(shù)Y這三者間的函數(shù),是在裂紋尖端的附近各個應(yīng)力分量公因子.只要明確在裂紋尖端的附近某個點的坐標(biāo),就能夠求得出這個點全部的應(yīng)力分量,而且其應(yīng)力分量的大小是由KI所決定的,所以說KI是能夠反映出裂紋尖端的附近應(yīng)力場的強弱程度參量.不同試樣,不同類型和不同零部件的裂紋,其裂紋形狀的系數(shù)Y也是不相同的,所以在實踐應(yīng)用中要特別注意.
2.2 斷裂的判據(jù)
按照應(yīng)力場的強度因子KI與斷裂的韌度KIC相對大小,能夠?qū)α鸭y失穩(wěn)的擴展脆斷進(jìn)行判據(jù),就是當(dāng)KI≥KIC,裂紋體在受力的時候,只要能夠滿足上述的條件就會出現(xiàn)脆性斷裂；反之就算是存在裂紋,但是只要KI
2.3 斷裂的韌度KIC
帶裂紋的材料由于KI不斷變大導(dǎo)致裂紋逐漸的張開,一直張到裂紋的尖端開裂,這時候的KI值就是材料斷裂的韌度KIC.材料在臨界的狀態(tài)下與對應(yīng)平均的應(yīng)力是稱作斷裂強度,記為σc.對應(yīng)裂紋的尺寸被稱作臨界裂紋的尺寸,記為ac.三者之間的關(guān)系是KIC等于Yσcπac .這就和拉伸中的σ相似,在σ逐漸變大到材料能夠產(chǎn)生屈服的時候σ的值就可以記作σs,σs 是材料能夠抵抗屈服變形的指標(biāo),因此,KIC是材料能夠抵抗裂紋臨界的開裂指標(biāo).通過以上的分析可以知道,KI 與σ都是力學(xué)的參量,只和載荷、試樣的尺寸有關(guān),但是和材料無關(guān)；而KIC 和σs 均是力學(xué)性能的指標(biāo),只與材料的成分和組織結(jié)構(gòu)有關(guān),但不和載荷、試樣的尺寸無關(guān).
3.斷裂力學(xué)的工程應(yīng)用
采用斷裂力學(xué)的原理可以進(jìn)行防斷設(shè)計有幾個方面：1）通過斷裂力學(xué)進(jìn)行安全設(shè)計的指導(dǎo)工作；2）對含有裂紋的構(gòu)件安全性與壽命進(jìn)行估算,在工作的條件下,確定構(gòu)件的裂紋容限；3）對各種斷裂的事故進(jìn)行綜合的分析,提出科學(xué)的改進(jìn)措施；4）合理的選擇材料與工藝,發(fā)展新的材料和新的工藝,尋找能夠代用的材料.
3.1 通過斷裂力學(xué)的方法進(jìn)行安全分析
由于斷裂力學(xué)得到不斷的發(fā)展,美國的CE與WH、瑞士的BBC、法國的AA、日本三菱以及日立、捷克SKODA 等都建立起了企業(yè)缺陷的容限標(biāo)準(zhǔn).中小型的電站使用汽輪發(fā)電機組不僅利用熱套配合軸,還通過軸向鍵和軸進(jìn)行聯(lián)結(jié).最近幾年來,不斷的發(fā)現(xiàn)葉輪經(jīng)常在鍵槽的根部產(chǎn)生裂紋,裂紋發(fā)生在鍵槽圓角的應(yīng)力相對集中的地方,并且還會沿徑向的發(fā)展.在工作的時候,葉輪會受到葉片的離心力和其自身所產(chǎn)生的離心力,還有溫差的熱應(yīng)力作用.為了明確帶裂紋的葉輪進(jìn)行安全儲備,應(yīng)該計算離心力與熱應(yīng)力的作用下應(yīng)力的強度因子,確定葉輪的材料具有的斷裂韌性,從而可以準(zhǔn)確的計算出葉輪臨界裂紋的長度,還可以通過超聲檢驗等不損失葉輪的檢驗方法進(jìn)行檢驗,明確葉輪的原始裂紋,并且和臨界裂紋比較.斷裂力學(xué)理論和方法要以安全設(shè)計和缺陷驗收的標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計手冊等形式為工程界提供有利的數(shù)據(jù),以便工程界使用及執(zhí)行.這是非�？茖W(xué)和重要的做法,是值得在工程中推廣與應(yīng)用.
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3.2 利用斷裂力學(xué)的方法進(jìn)行失效分析
失效分析指事故、故障發(fā)生之后必須進(jìn)行的檢側(cè)與分析,主要是為找到失效部位、原因及機理,最終掌握產(chǎn)品的改進(jìn)方向和修復(fù)方法,避免類似問題再次出現(xiàn),促進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展.所以,失效分析的技術(shù)受到社會各界的廣泛重視,同時,新技術(shù)的發(fā)展也帶來新問題也要加以分析才能更好的解決.失效的模式主要有：疲勞、斷裂、腐蝕、蠕變、磨損等,這些模式都能夠利用斷裂力學(xué)的方法和斷口分析的技術(shù)解決,斷裂力學(xué)方法是最有效的失效分析工具[3].
3.3 可靠性設(shè)計中概率斷裂力學(xué)的應(yīng)用
在可靠性設(shè)計中采用概率斷裂力學(xué),能夠促進(jìn)可靠性設(shè)計的發(fā)展.因為安全余度對應(yīng)力與強度二階矩進(jìn)行充分考慮,準(zhǔn)確的表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的可靠度實質(zhì),不僅考慮到變異特性,還考慮到平均值,所以和失效的分布有直接關(guān)系,能夠使安全設(shè)計更加可靠,積累大量的數(shù)據(jù),是設(shè)計發(fā)展的方向.國外已經(jīng)能夠比較完整的把概率斷裂力學(xué)應(yīng)用在飛機結(jié)構(gòu)上,如容限分析、結(jié)構(gòu)可靠性、耐久性及事故的分析等方面.此外,在反應(yīng)堆壓力容器的研究中概率斷裂力學(xué)也得到廣泛的應(yīng)用.
參考文獻(xiàn)
[1]陳慶豐,黨華.斷裂力學(xué)的形成發(fā)展與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工,2011（22）：68—69.
[2]李鋒,馬紅艷.斷裂力學(xué)在冰工程中的應(yīng)用[J].冰川凍土,2010（1）：54—55.
[3]方秀榮.基于斷裂力學(xué)理論的含裂紋大型鍛件的分析研究[J].熱加工工藝,2010（11）：89—90.
免費論文參考文獻(xiàn)：
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