加载速率对层间断裂韧性的影响

虽然加载速率对层间断裂的影响已经被广泛的研究,但是现有的研究结果还未能给出加载速率对层间断裂韧性影响的明确趋势。研究人员发展了许多测量层合板复合材料以及胶接层断裂韧性的实验方法。本文的主要目的是对层间断裂韧性测量的实验方法进行综述,尤其是准静态和动态加载条件下层间起裂韧性的测量。首先介绍了准静态下Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ/Ⅱ复合型层间断裂韧性的测量方法,然后综述动态加载下层间断裂韧性的实验方法。前两部分着重介绍断裂实验中断裂参数(载荷、位移、起裂时间以及裂纹长度)的测量以及断裂韧性的计算。之后又综述了两种光学测量方法在层间断裂实验中的应用。最后将文献中加载速率对层间断裂韧性影响的实验研究结果进行了总结。     

稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

基于应力状态参数的韧性材料损伤机理研究

为研究加载方式对裂纹萌生-扩展的影响机理,推导出米赛斯屈服准则与屈雷斯加屈服准则统一的载荷谱。基于该载荷谱利用内聚单元模型对5052铝合金内部椭圆形脆性相微观视场进行微裂纹萌生扩展研究。利用应力状态参数对不同加载方式下微裂纹的起裂方式和起裂位置进行了分析,结果表明:韧性材料的微裂纹起始于基体内脆性相,宏观基体材料与微观脆性相之间应力状态的不协调是致使裂纹萌生的主要原因。刚度弱化系数预示了微裂纹的起始位置,应力状态参数综合表征了裂纹的类型和起裂方式。在相同形变量时,裂纹萌生难易程度存在差异:双向压缩不易诱发微裂纹而纯剪切较易诱发微裂纹。研究结论与试验结果吻合较好。     

动态扩展裂纹的热-弹塑性耦合分析

以弹塑性扩展裂纹的裂尖参数为研究对象,对快速扩展的裂纹问题进行了细致的分析。首先建立了经验的应变率以及热 -弹塑性耦合的材料本构关系,完善了增量路径无关积分参数 T*的数值计算。通过与 J积分的比较,给出了两种积分参数在不同扩展速度、是否考虑热和应变率影响等情况下的变化规律,说明了T*积分用于快速扩展裂纹的合理性和优越性。在裂尖场的讨论中,重点分析了裂尖应力、应变、应力三轴度和塑性区的演化发展过程,发现了快速扩展裂纹塑性区发展非单调的有趣现象,并且获得了应力三轴度可以作为裂纹扩展过程控制参数的基本结论。     

低周载荷对高周裂纹裂尖塑性区的影响

为探明高低周复合疲劳裂纹扩展中高低周载荷交互作用机理,采用弹塑性有限元模型模拟了含中心裂纹试件在高低周载荷交互作用下裂尖塑性区的变化.结果表明:低周载荷的卸载作用导致高周载荷对应的裂尖反向塑性区明显减小,裂纹闭合水平也因此降低,进而加速裂纹扩展,致使高低周复合疲劳裂纹扩展寿命降低.在此基础上,对比研究了低周载荷应力比、高周载荷应力比、高低周载荷循环比对裂尖反向塑性区的影响.结果表明:随着低周载荷应力比降低、高周载荷应力比增加,循环比的减少,均导致低周载荷的卸载作用增加.      

扭转／拉伸复合载荷下的弹塑性疲劳裂纹扩展行为

研究了从中碳钢圆棒试样的环状预裂纹开始的疲劳裂纹扩展行为,分析了扭转/拉伸复合加载时不同载荷比对弹塑性疲劳裂纹扩展的影响。在高应力水平下,裂纹断口为宏观平坦。无论是简单加载还是复合加载,裂纹扩展速率都可用J积分的指数方程表达。对于同样的J积分范围值,Ⅰ型载荷下的裂纹扩展速率最高,而Ⅲ型载荷下的速率最低。在复合加载条件下的疲劳断口上观察到疲劳条痕同Ⅰ型加载条件下的相同,其间距与裂纹扩展速率相等。     

弹塑性条件下工程小裂纹疲劳扩展试验研究

 本文对在弹塑性条件下工程小裂纹的疲劳扩展规律进行了分析研究。给出了用△J积分作为在弹塑性条件下疲劳裂纹扩展主要控制参数的表达式。对工程小裂纹在缺口循环塑性区中的扩展规律提出了用修正的△J_(eff)积分描述和分析的表达方法,并与试验结果进行了比较。     

4种典型航空钛合金材料高温裂纹扩展性能对比试验

试验测定了4种典型航空钛合金材料（即TC18、TC21、TC4 DT、Ti 6Al 4V/ELI）在两种温度（25℃和250℃）下裂纹扩展性能,在试验数据的基础上,进行裂纹扩展性能对比分析,并对试样断口进行扫描电镜(SEM)分析,研究了高温和载荷联合作用对裂纹扩展的影响机理,结果表明:不同温度下,不同钛合金材料裂纹扩展速率之间存在很大的差异性;与室温断口相比,高温断口表面呈现浅黄色,并伴有大量二次裂纹;钛合金的裂纹扩展性能是受温度和载荷的联合作用影响,裂纹闭合和氧化作用共同决定了其扩展历程。      

复杂环境下的三维疲劳断裂

 以三维弹塑性断裂理论为基础,对复杂载荷、复杂环境作用下的金属材料和结构的疲劳、断裂的若干关键问题进行了概要分析。给出了由材料性能试验的标准试样结果预测结构中一般形态缺陷的三维破坏的最新结果,获得了对不同载荷条件下腐蚀疲劳裂纹扩展的统一描述,介绍了由裂纹扩展基准曲线预测谱载腐蚀疲劳裂纹扩展寿命的最新进展,对结构服役寿命/日历寿命研究方法作了探讨。     

Ti-6Al-4V/ELI钛合金250℃裂纹扩展性能

高温环境下裂纹扩展性能是进行航空金属结构损伤容限设计的重要依据。本工作测定典型航空钛合金Ti-6Al-4V/ELI在两种温度(25℃和250℃)、三种应力比(0.06,0.5,–1)下的裂纹扩展性能;采用割线法处理实验数据,获得材料的裂纹扩展速率da/d N-ΔK曲线和da/d N-ΔK-R曲面,进行裂纹扩展性能对比分析;通过疲劳断口SEM分析高温和载荷联合作用对裂纹扩展性能的影响机理。结果表明:在相同的应力强度因子变程ΔK下,疲劳裂纹扩展速率da/d N随着应力比R的增加而变快;Ti-6Al-4V/ELI的高温断口表面可见氧化产物和大量二次裂纹,温度升高导致材料裂纹扩展过程逐渐由解理断裂向准解理断裂转变;氧化产物的加速作用和二次裂纹分支的减速作用共同影响材料的裂纹扩展性能,应力比R为0.5或0.06时,氧化加速和分支减速作用基本相抵,裂纹扩展受温度变化影响并不明显,拉压加载下应力比为R为–1时,二次裂纹受温度与载荷的充分影响密集萌生并深化,使得Ti-6Al-4V/ELI在高温环境下裂纹扩展速率慢于室温下扩展速率。     

碳纤维/双马树脂复合材料整体成型过程分层扩展行为实验研究

针对复合材料构件热压罐成型过程中常见的分层缺陷,考察了整体成型工艺温度对分层扩展、QY8911双马树脂基体韧性及T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并通过分层扩展断面形貌深入分析了复合材料整体成型工艺中分层扩展的路径和断面破坏模式,给出了复合材料整体成型工艺和结构设计的优化建议措施。结果表明,随着整体成型最高温度的升高,分层扩展程度增大,QY8911双马树脂基体的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低,T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增大;对分层扩展断面进行SEM扫描电镜分析发现分层扩展沿着层间开裂,断面内存在基体断裂和基体/纤维界面脱粘两种破坏模式,Ⅰ型层间断裂是复合材料整体成型工艺中分层扩展的典型微观特征。     

成型工艺对复合材料I型断裂韧度的影响

采用双悬臂梁试验和假设检验的方法,对比分析了两种不同成型工艺对复合材料I型层间断裂韧度的影响,并采用有限元模型对这一过程进行了模拟。研究表明：硅橡胶软模成型试验件的I型断裂韧度均值略高于金属硬模成型试验件;而两种工艺试验件的I型断裂韧度方差不存在显著差异,且两种工艺成型的试验件的裂纹扩展过程相似。在试验的基础上建立了有限元模型,对裂纹扩展过程进行了模拟,与试验结果吻合良好,可以有效地预测裂纹扩展过程。     

HTPB推进剂老化断裂性能试验

为研究老化对HTPB推进剂断裂性能的影响,开展了HTPB推进剂高温加速老化试验,测定了不同老化时间、老化温度下推进剂含Ⅰ型裂纹的断裂韧性值,并利用扫描电镜观测了推进剂断面微观形貌。结果表明：随着老化时间和老化温度的不断增加,推进剂断裂韧性值不断下降;老化时间越长和老化温度越大,拉伸速率越小,推进剂拉伸断面＂脱湿＂越严重,裂纹尖端处的＂脱湿＂较内部断面更严重。     

钛合金惯性摩擦焊接头断裂韧性的研究

对钛合金惯性摩擦焊接头的断裂韧性（ＣＴＯＤ）进行了研究，并用光学显微镜和电子显微镜对裂纹尖端显微组织进行了分析。结果表明，焊态接头的断裂韧性较低，这主要与其显微组织细小有关，而焊后普通退火可以明显提高焊接接头的断裂韧性。     

利用疲劳裂纹扩展速率估算断裂韧性

提出了一种利用疲劳裂纹扩展速率来估算断裂韧性的方法,并利用2种材料12组试验数据对该法产生的误差及其控制方法进行了分析研究,结果表明,其误差可以控制在试验分散带内。     

TBC界面裂纹K因子的有限元求解方法

本文针对由陶瓷层和粘结层构成的热障涂层(TBC)双层材料结构,探讨了应用裂纹面位移数据及J积分计算分析陶瓷层/粘结层界面裂纹应力强度因子的有限元方法。考虑了拉伸及热应力两种载荷情况。在传热分析时,考虑了界面裂纹对传热的影响。对于这类双材料界面裂纹,应力强度因子是型和型裂纹复合的,它包括应力强度因子的模和相位角。根据所得的结果比较。      

动态裂纹扩展韧性 K_(ID) 的估算及方法的评估

通过对30CrMnSi2A钢制成的DCB（带裂尖小孔）试件的试验结果和利用动态有限元法（DFEM）与远场路径无关的J′积分相结合的方法计算了动态裂纹扩展韧性。较全面地对各种估算KID的工程方法进行了分析比较和评估,讨论了使用范围。此外,改进了Kanninen的半经验公式,使它能对于不同泊松比的材料能方便地估算极限速度VL.同时,指出材料常数m应与裂纹的初始长度和止裂长度aa及裂尖半径有关,给出了计算公式,使得估算KID更为简便和合理。     

导弹推进剂贮箱结构强度及剩余寿命实验研究

用三点弯曲多试样方法对导弹推进剂贮箱主要材料LD10铝合金及其焊件的断裂韧性和疲劳性能进行了实验研究,得到了材料母材、热影响区和焊缝的断裂韧性J_(IC)和疲劳裂纹扩展速率da/dN的规律。结合无损检测信息可以对导弹推进剂贮箱进行安全性评定和剩余寿命评估。