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平面微裂纹扩展的计算机模拟与相关试验

李华清

  Lankford与Suresh等人曾经假设,自然萌生的微裂纹的“不规则扩展”是与材料当地的局部晶体结构相关联的。即,相对于尺寸较大的裂纹(与大量的疲劳微裂纹生长速度的观察数据相比),疲劳过程中微裂纹扩展速率的分散程度较大,以及较高的平均疲劳裂纹生长率。在细观尺度上,晶粒取向的变化,会导致应力场的不均匀。然而,这一现象的重要性并未引起人们足够的重视。直到1998年12月,在Hawaii由美国工程基金会所筹划的国际专家研讨会上,X.D Li,和K.S.Ravichandran提出了K的各向异性以及各向异性K对微裂纹扩展行为的影响等问题,并在随后对此进行了比较深入的研究。相关的研究表明,由于晶粒的取向、几何形状所诱发的局部各向异性,导致沿微裂纹前缘应力场强度因子K强烈的各向异性。即多晶体材料中微裂纹前缘的应力场强度因子K通常存在较大的波动,多晶体材料中的微裂纹萌生与扩展行为,很大程度上受到与微裂纹前缘相接触的多晶体材料局部区域内晶粒的取向分布、晶粒几何形状、单晶物性的影响。随着微裂纹尺寸的增加,K的波动程度减小并逐渐趋于稳定,K各向异性行为消失。应力场强度因子的各向异性问题,愈来愈受到人们的重视。而微裂纹前缘应力场强度因子的各向异性这一新概念及其物理意义与几何内涵的提出,更是对传统应力场强度因子的概念与计算方法的一次重大挑战。与其它因素相比,微裂纹前缘的K可能是在我们认识细观领域内材料破坏行为以及工程应用过程中,最具物理意义的一个代表性因素。因此,在评估工程构件的临界裂纹失效时,各向异性的微观结构对应力场强度因子K的局部影响,就变得尤为重要。为了能够可视化地模拟微裂纹的扩展过程,并为建立微裂纹扩展丌裂判据准备试验数据,本研究涉及了模拟程序设计和相关试验两部分的工作。模拟程序设计部分旨在开发一个可视化的微裂纹扩展模拟程序,直观地演示在多晶体材料中,从一个结构弱点(即裂纹源)开始的微裂纹扩展过程;这一可视化的软件平台同时也为计算微裂纹前缘各向异性的应力场强度因子K提供了一个数值化的分析基础。试验部分旨在设计相关试验,以研究微裂纹前缘K的各向异性程度与多晶体材料当地微观组织的关系,为建立有效的微裂纹丌裂判据准备试验数据及相关资料。……   
[关键词]:微裂纹;应力场强度因子;电子背散射衍射;取向成像技术;试样制备
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:兰州理工大学2004年