几种金属材料宏观断裂形式的试验研究

总结了几种金属材料在常规破坏试验过程中的断裂现象，分析了不同材料不同应力三维度下的几种宏观断裂形式，结果表明，金属材料在不同受力形式下，随应力状态参数Rσ从大向小变化，断裂机理从穿晶脆断，向以孔洞扩张聚合、局部剪切带的扩展转化，材料可能依次发生解理脆断、孔洞正断、有孔洞影响的剪断、无孔洞影响的剪断等四种断裂形式，材料断裂危险点与断裂条件也随着发生变化。     

几种金属材料断裂形式变化规律的试验分析

本文研究了几种金属材料在常规破坏试验过程中的断裂现象，分析了不同材料不同复合比下断裂力学试验结果，结果表明，材料在不同受力形式下，随应力状态参数兄从大向小改变，材料断裂机理从以孔洞扩张、聚合为主导，向局部剪切带产生、发展为主导转化，材料断裂形式、断裂条件也随着发生变化，通过试验结果与应力场分析，讨论了不同应力状态参数下，金属材料韧性断裂形式的变化规律。     

LC4—M材料复合型韧断主要影响因素的分析

通过分析LC4－M铝合金材料在不同复合比载荷下的断裂试验结果,参照常规断裂现象,修正了一般断裂试验中认定裂纹启裂方向的方法,结合不同复合比下裂尖附近应力三维、主应力方向的计算分析,得到：在裂端的钝化变形区域、应力三维度的极大值处,对应于裂纹的启裂位置,即使在高韧性材料中发生剪切断裂的情况下也是如此;裂纹的启裂方向在拉伸断裂时与启裂点最大拉应力方向有关,在剪切断裂时启裂点最大剪应力方向有关,引起两种形式断裂的主要因数和破坏机理有很大不同。     

韧性断裂裂纹尖端的物理特征和力学行为

本文综述了金属材料发生韧性断裂的裂尖钝化,孔洞成核和长大,孔洞-孔洞或孔洞-裂尖汇合导致裂纹扩展的物理特征,和描述这些特征的本构理论及物理模型。      

金属材料脆性断裂机理的实验研究

材料的脆性断裂有许多准则和模型,但对脆断机理和变化规律缺乏合理的描述,给工程应用带来不便。本文对典型脆性材料球墨铸铁、灰铸铁分别进行了拉扭双轴断裂实验和常规拉伸、扭转破坏实验;对韧性金属材料合金钢进行了单轴拉伸颈缩破坏实验。通过上述实验分析了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的机理特征并选择应力三维度作为应力状态参数描述危险点的应力状态,同时考察了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的主导因素。结果表明:韧性材料45#钢和14CrNiMoV合金钢在颈缩断面心部应力三维度值较大时发生脆性拉断,而在颈缩断面边缘处应力三维度值较小时发生剪断;脆性材料球墨铸铁在应力三维度值为0.0～0.33之间变化时均发生脆性断裂;灰铸铁在应力三维度值大于0.0时发生脆性拉断,而在应力三维度值小于0.0时发生剪断。因此可以认为,材料的细观组织结构和危险点应力状态是影响断裂机理及变化规律的主要因素。对于同种材料,随着应力三维度代数值从小向大变化材料的断裂机制由塑性剪切断裂逐渐转变为脆性断裂。本文通过对几种材料的脆性断裂危险点和断裂方向的研究给出了脆断宏观破坏条件。     

铝合金材料剪切断裂实验分析

金属材料受载作用发生断裂，断裂面形式有拉断，剪断和拉剪混合型，由于剪断过程中塑性变形较为复杂，问题的研究难度大，观点争论多，本文对LY12－M铝合金材料复合型平面应变载荷状态下的几种断裂试验结果作了分析，认为在II型，近II型时发生的剪切型断裂，启裂点在裂尖附近应力三维度取最大值处，剪断的开裂方向则与启裂点上最大剪应力方向有关，同时对LC9R超强铝合金作常规破坏试验，该材料在拉伸，扭转与压缩试验时均呈剪切断裂，断裂面沿最大剪应力方位，破坏剪应力随试件应力三维度的降低而增大，综合分析试验结果得到了一些有用的结论。     

光滑拉伸试件中不同初始形状孔洞长大的有限元模拟

本文对具有不同硬化指数（ｎ＝０．０５，ｎ＝０．１，ｎ＝０．２）的幂硬化材料的光滑拉伸试样的拉伸变形过程进行了有限元模拟，通过有限元计算和经Ｂｒｉｄｇｍａｎ修正分别得到了试样变形过程中心部应力三维度随应变的变化情况；在此基础上运用控制体胞宏观应力三维度的方法，对含不同初始形状孔洞的体胞模型进行了有限元分析，计算结果表明：（１）孔洞初始形状和材料硬化特性对试样的拉伸破坏过程有重要影响；（２）Ｂｒｉｄｇ     

分子动力学模拟含不同初始缺陷单晶镍的断裂行为与应力演化

断裂是一个跨尺度复杂的物理过程,对宏观尺度的断裂行为已有深入的研究和发展,然而对微观尺度的断裂行为及断裂过程中应力场的变化缺乏深入的理解。本文通过分子动力学模拟,研究了具有不同初始缺陷(尖锐裂纹、钝裂纹和孔洞)的单晶镍的断裂行为和应力分布特征。结果表明,不同的初始缺陷导致了不同的断裂机制、断裂强度和抗断裂性能。含初始孔洞的单晶镍样品有最高的断裂强度和最强的抗断裂性能,这与孔洞扩展过程中堆积层错的形成密切相关。其次是含初始钝裂纹的样品,在裂纹扩展过程中出现由[100]超位错发射引起的裂尖钝化;含尖锐裂纹的样品表现为脆性断裂,裂尖原子没有出现微结构的变化,其强度和抗断裂性能最低。此外,不同的初始缺陷也会导致断裂过程中应力分布的变化,对含有尖锐裂纹的脆性断裂试样,高应力(拉伸应力、平均应力和米塞斯应力)总是出现在扩展裂纹的裂尖。而对于含有钝裂纹或孔洞的韧性断裂试样,高应力不仅分布在裂尖,也分布在位错发射和堆积层错形成的区域,在裂纹/孔洞扩展之前,应力随着加载时间的增加而迅速增加,而一旦裂纹或孔洞开始扩展,应力增加非常缓慢或几乎不增加,但拉伸应力值始终大于平均应力和米塞斯应力值。这表明,在I型...     

复合型韧性断裂实验和控制参数

通过对不同韧性材料在各种平面复合载荷形式下裂纹启裂阶段裂端变形、启裂位置和扩展方向的系统的宏微观实验验证及计算分析,考察了韧性断裂参数空穴扩张比的分布特征和裂纹启裂及扩展方向的关系．得到：对于不同韧性的材料,在裂端的钝化变形区域,空穴扩张比的极大值区对应干裂纹的启裂位置,裂纹启裂时钝化裂端前缘空穴扩张比的临界值不敏感于复合比的变化．而对于裂纹启裂后的扩展方向,则需根据具体材料在相应的特定区域中比较空穴扩张比参数极大值的分布特征,需经进一步的分析,从而确定裂纹的扩展方向．实验及计算结果表明,尽管复合型断裂时裂纹启裂及扩展的机理极其复杂,用于韧性材料复合型断裂的空穴扩张比参数仍能很好地预测裂端的启裂及扩展方向,可作为复合型韧性断裂过程的控制参数．     

单晶与纳米多晶锡层裂的分子动力学研究

低熔点金属的层裂是目前延性金属动态断裂的基础科学问题之一。采用非平衡态分子动力学方法模拟了冲击压力在13.5～61.0 GPa下单晶和纳米多晶锡的经典层裂和微层裂过程。研究结果表明：在加载阶段,冲击速度不影响单晶模型中的波形演化规律,但影响纳米多晶模型中的波形演化规律,其中经典层裂中晶界滑移是影响应力波前沿宽度的重要因素;在单晶模型中,经典层裂和微层裂中孔洞成核位置位于高势能处;在纳米多晶模型中,经典层裂中的孔洞多在晶界（含三晶界交界处）处成核,并沿晶定向长大,产生沿晶断裂,而微层裂中孔洞在晶界和晶粒内部成核,导致沿晶断裂、晶内断裂和穿晶断裂;孔洞体积分数呈现指数增长,相同冲击速度下单晶和纳米多晶Sn孔洞体积分数变化规律一致;经典层裂中孔洞体积分数曲线的两个转折点分别表示孔洞成核与长大的过渡和材料从损伤到断裂的灾变性转变。     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.      

界面裂纹萌生与扩展的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究了裂纹在界面端处萌生与沿界面扩展的临界条件. 模拟考虑了一双相材料的3种模型，即构成90°/90°和 90°/180°夹角的两个界面端和一个界面裂纹. 模拟采用了包含原子区域与连续区域的并发型多尺度模型，即在界面端尖端和裂纹尖端附近 采用分子动力学(MD)方法，MD区域之外则按照线弹性有限元方法分析. 结果表明，在断裂启动时刻，3个模型沿界面的最大应力均达到界面理想强度；而且，其界 面能恰好足以克服界面材料的本征内聚能. 因此，界面端裂纹萌生与沿界面扩展的断裂条件可以通过界面理想强度和内聚能联系起来. 并基于模拟计算结果提出了界面断裂启动的统一准则.     

Simulation of size effects by a phase field model for fracture

In phase field fracture models the value of the order parameter distinguishes between broken and undamaged material. At crack faces the order parameter interpolates smoothly between these two states of the material, which can be regarded as phases. The crack evolution follows implicitly from the time integration of an evolution equation of the order parameter, which is coupled to the mechanical field equations. Among other phenomena phase field fracture models are able to reproduce crack nucleation in initially sound materials. For a 1D setting it has been shown that crack nucleation is triggered by the loss of stability of the unfractured, spatially homogeneous solution, and that the stability point depends on the size of the considered structure. This work numerically investigates to which extend size effects are reproduced by the 2D phase field model. Exemplarily, a finite element study of the hole size effect is performed and the simulation results are compared to experimental data.     

Spontaneous Mixed-Mode Fracture in Bonded Similar and Dissimilar Materials

In this paper, we report on an experimental study of spontaneous, mixed-mode, crack propagation in weakly bonded similar and dissimilar materials. A unique experimental configuration is proposed to induce spontaneous crack growth events along the interfaces. The cracks nucleate from tiny circular holes and are triggered by an exploding wire. They subsequently propagate under the action of a constant, far-field load. Dynamic photoelasticity in conjunction with high speed photography is used to capture the real-time isochromatics associated with crack propagation. In the case of identical materials, crack propagation is anti-symmetric with respect to the crack nucleation point while strong asymmetry is observed for the case of dissimilar materials. In both cases, cracks propagate at constant velocity from the initiation point. The time histories of dynamic stress intensity factors and of energy release rates of the propagating cracks along the bonded similar materials are also reported.     

Mixed-Mode Dynamic Crack Growth in Functionally Graded Glass-Filled Epoxy

Compositionally graded glass-filled epoxy sheets with edge cracks initially along the gradient are studied under dynamic loading conditions. Specimens with monotonically varying volume fraction of reinforcement are subjected to mixed-mode loading by eccentric impact relative to the crack plane. The optical method of Coherent Gradient Sensing and high-speed photography are used to map transient crack tip deformations before and after crack initiation. Two configurations, one with a crack on the stiffer side of a graded sheet and the second with a crack on the compliant side, are examined experimentally. To elucidate the differences in fracture behavior due to functional grading, a homogeneous sample is also tested. The differences in both pre- and post-crack initiation behaviors are observed interms of crack initiation time, crack path, crack speed and stress intensity factor histories. When a crack is situated on the compliant side of the sample, it kinks significantly less compared to when it is on the stiffer side. Crack tip mode mixity histories show small but positive values during crack growth from the stiffer side of the sample towards the compliant side whereas a small but negative mode mixity prevails for the opposite configuration.     

基于GMTS准则的岩石复合型断裂机理研究

使用国际岩石力学协会规定的半圆盘岩石试件,加工不同倾角的直裂纹试样,通过三点弯曲加载试验得到不同I-II复合比断裂的断裂韧性和初始断裂角．传统裂纹扩展准则忽视了常数项即T应力及更高阶项的影响,导致该扩展准则的理论预测结果存在较大缺陷,本文通过考虑常数项,建立广义最大周向应力准则(GMTS)．在此基础上,分别采用传统的裂纹扩展准则和考虑T应力的裂纹扩展准则预测不同复合比裂纹的断裂韧性和初始扩展角,然后对比理论预测结果和实验结果．分析可得：常数项即T应力对断裂的临界应力强度因子和初始断裂角的影响是不可忽略的,且II型断裂占比较大时影响更大,广义最大周向应力准则预测值与实验测试结果之间的误差最小．     

缺陷介质切槽爆破断裂行为的动焦散线实验

利用数字激光动态焦散线实验系统,对含缺陷介质在切槽爆破和普通炮孔爆破中爆生裂纹的断裂行为进行对比研究。结果表明,切槽爆破中沿切槽方向起裂的主裂纹比非切槽方向早10 μs,有利于能量优先沿切槽方向释放;切槽方向主裂纹的起裂韧度为0.58 MN/m3/2,其裂纹扩展的平均速度为277 m/s,分别是普通爆破时主裂纹相应值的54%和86%;当切槽方向主裂纹与缺陷介质贯通后,为爆生气体提供了足够的膨胀空间,诱导爆生气体向预制裂纹两端释放,翼裂纹起裂以Ⅰ型拉伸破坏为主,并在裂纹扩展的60~250 μs内,Ⅰ型动态应力强度因子保持在0.6~0.8 MN/m3/2,形成了明显的平台,延缓了翼裂纹扩展速度的衰减,最终较普通炮孔翼裂纹扩展时间和扩展长度分别增加了22.7%和17.8%。     

裂纹动态起始问题的研究进展

力图就前人提出的冲击载荷下裂纹的起始判据进行较全面的综述．这些较著名的判据有：（１）动态应力强度因子判据；（２）动态Ｊ积分判据；（３）最小作用量判据；（４）极小作用时间判据等．简要介绍了近年来有关裂纹在冲击载荷（特别是短脉冲）下动态起始的一些重要实验和实验中所发现的一些重要结论．实验公认，一般对于小范围屈服而言，材料的动态断裂韧性随加载（应变）率的提高而减小，此时材料的断裂形式为解理型；而对于大范围屈服则韧性随加载率的提高而增大，此时材料的断裂形式为纤维型．特别指出，Ｂｒｏｗｎ大学的平板撞击实验表明，裂纹在起始时，观察到一个不再满足二分之一阶奇异性的“尖峰”，按Ｃｌｉｆｔｏｎ和Ｆｒｅｕｎｄ等人所给出的模型，在裂纹起始断裂瞬间，在裂纹顶端会突然形成一个小洞，该洞的半径作为一个参数等于二相粒子的间距．