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应力集中对裂纹扩展的影响

通过巴甫洛维奇
出版日期:2020年7月30日
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荷载、应力、材料特性和环境是裂纹形成和材料失效的原因。

资料来源:Alain Juteau/Dreamstime.com

当设计结构或机器时,它必须满足一定的可靠性和安全阈值,这取决于许多因素:它所承受的载荷、它所处的环境和建议的环境工龄.

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这些阈值是什么以及它们有多高是一个不断发展的问题,这些概念在过去的一百年左右发生了重大变化。仅仅在50年前,我们还不知道为什么船只会突然分成两半,或者为什么商用飞机会在飞行途中抛锚。

自19世纪工业革命以来th上个世纪,我们有一个不断增长的需求来推动我们的工程设计,这带来了许多可怕的灾难的高成本。桥梁倒塌,船舶沉没,建筑物倒塌,甚至当事情是围绕既定的安全因素设计时。

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很明显,我们遗漏了一些东西。教育领域的发展断裂力学自20世纪50年代以来,我们对裂缝形成和扩展的理解有了很大的发展,现在我们可以设计和设计以前被认为完全不安全和不可靠的东西。

裂纹与应力的关系

有三个关键因素导致裂缝形成反过来,材料失效:负载(和强调)材料所处的环境、材料的特性以及材料所处的环境。

在工程术语中,应力可以定义为单个材料灯丝所承受的载荷量。然而,这不是一个真实的物理表示,因为应力可以缩小到原子水平,在原子水平上,我们可以观察分子和原子之间的吸引力和排斥力,以及作用在分子和原子上的所有外力或载荷。

我们无法真正测量应力,因为它是材料的内部特性,我们只能通过了解几何结构和施加的载荷来近似测量。

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应力通过以下公式计算:

σ=F/A

式中,F为给定荷载,A为垂直于荷载向量的相关零件横截面。

应力值是一个估计值这一事实非常重要,因为还有几个额外的因素使得安全地估计应力非常困难:内应力,残余应力应力集中.

上述因素是看似安全的结构会断裂或倒塌的原因。如果我们有一个几何结构没有变化的完全均匀的材料,我们可以绝对精确地计算应力。但是,当几何结构发生变化时,紧邻的区域承受的应力高于平均值。一个例子是孔内应力集中.

应力集中对裂纹扩展的影响

突然变化会增加应力集中值。设计结构时必须考虑到这一点——即使整个零件的设计具有较高的安全系数,也可能存在局部应力值高于实际值的区域极限抗拉强度材料的质量。(发现强度与韧性的区别.)

更重要的是,没有一种材料是真正同质的。总是有各种各样的内含物,间断以及作为局部微应力集中体的缺陷。此外,由于零件的生产和装配方式,可能存在残余应力,这也可能使应力水平超过安全极限。

所有这些是如何形成裂缝的?

每种材料在开始撕裂之前都有一定的能量阈值。如果外部荷载、内应力、几何形状变化、温度变化和腐蚀共同作用,则不可避免地会发生撕裂并形成裂纹。

当出现这种分离时,它非常薄或尖锐(一个裂纹尺寸比另一个大得多)。这意味着,由于应力集中,裂纹尖端的应力在理论上是无限的,它会导致材料和材料的进一步撕裂裂纹扩展. 现在,这并不像听起来那么危险。

裂纹与破坏

幸运的是,同样的材料缺陷、几何形状变化和残余应力实际上可能是裂纹扩展的障碍间断在物质中,它必须有更多的能量来克服它并进一步传播。

明显的问题是,裂纹减少了材料的承载面,这意味着剩余的连续材料必须承受越来越多的载荷。然而,这意味着只要应力水平低于极限抗拉强度,我们仍然可以使用开裂零件。

一般情况下,裂纹出现后可拉成细丝的材料,有一段稳定的裂纹扩展期,我们可以相当准确地预测,并且只要我们定期检查裂纹扩展,我们可以继续安全地使用机器或结构。

裂纹寿命的第二阶段之后是不稳定裂纹扩展的最后阶段,在此阶段裂纹迅速扩展直至完全失效。当然,每个阶段的长度以及裂纹的行为是一个极其复杂的问题,这与应力腐蚀开裂腐蚀疲劳. (进一步了解腐蚀如何影响材料的强度。)腐蚀对材料剪切行为的影响.)

断裂力学的进展和材料的应用有限元分析在很大程度上,我们对这种裂纹行为的理解,以及我们如何防止或打击它负有责任。

我们可以通过引入有意的残余应力或额外的几何变化来影响裂纹行为,从而使应力分布均匀。例如,我们可以通过在裂纹尖端钻孔或通过堆焊引入内应力来阻止裂纹进一步扩展。这些方法只是暂时的解决办法,因为材料的进一步降解是不可避免的。

然而,主要的问题是,这里真的没有规则。每个零件都是由具有唯一性的材料制成的微观结构,其工作制度是独特的,其环境和环境变化是独特的。不存在可以确定地告诉我们裂缝何时何地出现的所有等式。

然而,我们确实有一个不断增长的遭受故障的零件数据库,这意味着我们可以创建越来越精确的模型,用于估计裂纹出现时的行为。(见腐蚀失效分析的三个阶段更多信息。)我们开发的新方法使我们能够预测此类事件发生的可能性最大的地方,我们可以据此设计我们的机器。

整个过程远非完美,但这种围绕可靠性而非安全因素进行设计的工程范式的最终结果是,我们拥有更可靠、更安全的结构,同时从长远来看,使用更少的材料,生产和维护成本更低。

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巴甫洛维奇的个人资料图片
Nemanja是一名机械工程师,拥有理学学士学位。冰发动机学位。他目前正在攻读硕士学位。在焊接工程领域,他的科学工作主要集中在HSLA钢结构焊接接头的质量控制和设计。他为他的大学写了许多论文,其中一些是关于焊接接头的腐蚀问题。

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