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摘 要 零件失效形式之一是脆性破坏,传统防脆断的方法不仅很保守,而且脆性破坏没有得到有效的控制.本文就断裂力学在实际工程的应用进行分析,探讨带裂纹零部件受到外加载荷、内应力的作用是否出现脆性断裂,以及不断裂的情况下的使用寿命等,一直是人们非常关注的重要问题.
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关 键 词 断裂力学；工程；应用
中图分类号TM591 文献标识码A 文章编号 1674—6708（2012）76—0127—02
0 引言
断裂力学是主要研究含裂纹的构件断裂强度的学科,被广泛的应用在航空航天、桥梁、铁路、船舶、建筑等工程领域,解决了很多生产问题.尤其是在设计抗断、对构件疲劳寿命进行预测、合理选材、制定科学质量验收的标准及检测制度,在预防发生断裂事故等方面起到非常关键的作用,是现代强有力的设计工具.采取断裂力学的理论设计与分析工程结构,涉及到广泛的领域知识、方法、经验,同时还需要通过复杂的运算与细微的分析,才能判断出可靠真实的结论.所以,采用断裂力学的理论构建工程构件的设计、分析及评估的系统,能够给工程技术提供快速且实用的工具,不仅可以节省大量的设计评估时间及人力,还可以在很大程度上提高了分析计算的真实可靠性[1].
1金属断裂的定义
金属断裂是指金属在受到外加载荷以及内应力的作用下出现破碎,整个断裂的过程是裂纹产生与裂纹扩展的过程.
1.1裂纹产生原因
裂纹产生主要是发生在构件制造的过程中,比如在进行焊接缺陷、机加工刀痕和在热处理时的淬火裂纹等；材料在冶炼和铸造的过程中形成疏松
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1.2裂纹扩展经过
裂纹只要一形成,在应力和环境的作用下,裂纹就会慢慢扩展,其扩展方式主要有张开型、滑开型以及撕开型三种.裂纹的这三种扩展方式最危险的是张开型,特别容易发生脆性断裂,所以在裂纹体脆性断裂的问题研究中,都是把张开型当作研究的对象.张开型裂纹扩展有以下3种情况：
1）对于韧性材料,低碳钢与材料在韧性到脆性的转变温度之上,在应力超过了σs的时候,原先已经出现的微裂纹就不在作不稳定的扩展,而是在裂纹顶端形成新的微裂纹.是由于塑性撕裂导致微裂纹长大并且相互连接,当到达临界裂纹的尺寸ac的时候就会进行不稳定的快速的扩展,这种断裂是因为裂纹发生扩展,进而导致材料能够承受载荷有效的面积被减少,当有效面积小到某个临界值的时候,使材料无法承受原来的载荷所造成的,如上图所示.
2）对于脆性材料,高强钢和超高强钢以及材料在韧性到脆性的转变温度之下,在材料具有的长度初始裂纹a0的时候,应力只要达到了断裂的应力σc,裂纹就会快速的传播并且不需要继续加大应力就可以导致材料发生断裂,也就是说在裂纹的前端应力场的强度因子KI已经达到了材料断裂的韧度KIC,使裂纹进行快速的扩展而造成材料出现断裂,如下图所示.
3）在恒定载荷以及疲劳载荷的作用下,裂纹的扩展相对缓慢.当在恒定和疲劳载荷下受到腐蚀环境的作用时,通过一定的孕育期之后,裂纹就会长大到达临界裂纹的尺寸ac的时候,就会快速的发生扩展,从而导致材料出现断裂,如下图所示.
2.裂纹前端的应力场强度因子和断裂的韧度
2.1 应力场的强度因子KI
通常KI的表达式是： KI等于Yσ,KI表示外加的应力σ和裂纹的长度a以及裂纹形状的系数Y这三者间的函数,是在裂纹尖端的附近各个应力分量公因子.只要明确在裂纹尖端的附近某个点的坐标,就能够求得出这个点全部的应力分量,而且其应力分量的大小是由KI所决定的,所以说KI是能够反映出裂纹尖端的附近应力场的强弱程度参量.不同试样,不同类型和不同零部件的裂纹,其裂纹形状的系数Y也是不相同的,所以在实践应用中要特别注意.
2.2 断裂的判据
按照应力场的强度因子KI与断裂的韧度KIC相对大小,能够对裂纹失稳的扩展脆断进行判据,就是当KI≥KIC,裂纹体在受力的时候,只要能够满足上述的条件就会出现脆性断裂；反之就算是存在裂纹,但是只要KI
2.3 断裂的韧度KIC
带裂纹的材料由于KI不断变大导致裂纹逐渐的张开,一直张到裂纹的尖端开裂,这时候的KI值就是材料断裂的韧度KIC.材料在临界的状态下与对应平均的应力是称作断裂强度,记为σc.对应裂纹的尺寸被称作临界裂纹的尺寸,记为ac.三者之间的关系是KIC等于Yσcπac .这就和拉伸中的σ相似,在σ逐渐变大到材料能够产生屈服的时候σ的值就可以记作σs,σs 是材料能够抵抗屈服变形的指标,因此,KIC是材料能够抵抗裂纹临界的开裂指标.通过以上的分析可以知道,KI 与σ都是力学的参量,只和载荷、试样的尺寸有关,但是和材料无关；而KIC 和σs 均是力学性能的指标,只与材料的成分和组织结构有关,但不和载荷、试样的尺寸无关.
3.断裂力学的工程应用
采用断裂力学的原理可以进行防断设计有几个方面：1）通过断裂力学进行安全设计的指导工作；2）对含有裂纹的构件安全性与寿命进行估算,在工作的条件下,确定构件的裂纹容限；3）对各种断裂的事故进行综合的分析,提出科学的改进措施；4）合理的选择材料与工艺,发展新的材料和新的工艺,寻找能够代用的材料.
3.1 通过断裂力学的方法进行安全分析
由于断裂力学得到不断的发展,美国的CE与WH、瑞士的BBC、法国的AA、日本三菱以及日立、捷克SKODA 等都建立起了企业缺陷的容限标准.中小型的电站使用汽轮发电机组不仅利用热套配合轴,还通过轴向键和轴进行联结.最近几年来,不断的发现叶轮经常在键槽的根部产生裂纹,裂纹发生在键槽圆角的应力相对集中的地方,并且还会沿径向的发展.在工作的时候,叶轮会受到叶片的离心力和其自身所产生的离心力,还有温差的热应力作用.为了明确带裂纹的叶轮进行安全储备,应该计算离心力与热应力的作用下应力的强度因子,确定叶轮的材料具有的断裂韧性,从而可以准确的计算出叶轮临界裂纹的长度,还可以通过超声检验等不损失叶轮的检验方法进行检验,明确叶轮的原始裂纹,并且和临界裂纹比较.断裂力学理论和方法要以安全设计和缺陷验收的标准以及设计手册等形式为工程界提供有利的数据,以便工程界使用及执行.这是非常科学和重要的做法,是值得在工程中推广与应用.
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3.2 利用断裂力学的方法进行失效分析
失效分析指事故、故障发生之后必须进行的检侧与分析,主要是为找到失效部位、原因及机理,最终掌握产品的改进方向和修复方法,避免类似问题再次出现,促进技术的不断发展.所以,失效分析的技术受到社会各界的广泛重视,同时,新技术的发展也带来新问题也要加以分析才能更好的解决.失效的模式主要有：疲劳、断裂、腐蚀、蠕变、磨损等,这些模式都能够利用断裂力学的方法和断口分析的技术解决,断裂力学方法是最有效的失效分析工具[3].
3.3 可靠性设计中概率断裂力学的应用
在可靠性设计中采用概率断裂力学,能够促进可靠性设计的发展.因为安全余度对应力与强度二阶矩进行充分考虑,准确的表现了结构的可靠度实质,不仅考虑到变异特性,还考虑到平均值,所以和失效的分布有直接关系,能够使安全设计更加可靠,积累大量的数据,是设计发展的方向.国外已经能够比较完整的把概率断裂力学应用在飞机结构上,如容限分析、结构可靠性、耐久性及事故的分析等方面.此外,在反应堆压力容器的研究中概率断裂力学也得到广泛的应用.
参考文献
[1]陈庆丰,党华.断裂力学的形成发展与应用[J].内蒙古石油化工,2011（22）：68—69.
[2]李锋,马红艳.断裂力学在冰工程中的应用[J].冰川冻土,2010（1）：54—55.
[3]方秀荣.基于断裂力学理论的含裂纹大型锻件的分析研究[J].热加工工艺,2010（11）：89—90.
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