[科普中国]-裂纹张开位移

裂纹

裂纹，例如：1、材料在应力或环境（或两者同时）作用下产生的裂隙；2 、裂璺；3 、瓷器在烧制时有意做成的像裂璺的花纹；4 、GB-T232-1988金属弯曲试验方法：微裂纹： 长度小于2mm, 宽度小于0.2mm;裂纹；长度2-5mm,宽度0.2-0.5mm;裂缝:长度大于5mm, 宽度大于0.5mm;开裂：全宽度上的裂缝。还有不同材料的裂纹区分等。

裂纹的张开位移的确定裂纹尖端应力强度因子 ( SIF)及裂纹的张开位移 ( COD)的确定是断裂力学的首要任务1。 可以从一些断裂力学手册及其教材中可查到一些理论的计算公式 ,但这只是有限的 ,无法满足工程实际的要求 ,因为在较复杂的条件下求解 SIF或 COD是很困难的 ,甚至无法求解。 所以这时必须采用数值计算方法来确定其 SIF或 COD。 而边界配位法具有简单易懂、计算时间短、精确性高等优点 ,所以它要比其他数值计算方法 ,如有限元法等有很大的优越性1。

裂纹张开位移法裂纹张开位移法(crack opening displacementmethod )是裂纹张开位移中重要的方法，它主要用来判定裂纹扩展的方法。指弹塑性断裂力学中以裂纹张开位移作为断裂参量判别裂纹开始扩展的一个近似的工程方法2。

裂纹张开位移法应用焊接是制造业的基础工艺与技术, 焊接结构是结构物的重要组成部分2。焊接技术和焊接结构广泛应用于经济建设的许多领域, 如航空航天、核能利用、高层建筑、船舶与海洋工程等等。焊接接头是焊接结构的基本单元, 也是焊接结构强度和韧性的薄弱环节。据美国20世纪90年代统计, 因焊接接头失效引起的经济损失高达国民生产总值的5%。若按同比例推断, 我国2002年国民生产总值约为10万亿元, 此项损失竟高达5 000亿元! 因此, 确保焊接接头的安全可靠, 其巨大的经济效益和社会效益是显而易见的。金属材料焊接接头的失效, 绝大部分是韧性不足所造成的。影响焊接接头韧性的因素十分复杂, 也较难控制。焊接接头中的焊缝金属在焊接条件下快速冷却, 受局部约束应力的作用, 在凝固和相变过程中形成粗大的柱状晶粒, 还会产生各种偏析、夹杂、气孔和微裂纹等缺陷, 这些缺陷会使焊态焊缝金属脆化。

焊接接头中的热影响区, 由于在焊接热源作用下母材经历了一次或多次特殊的加热和冷却循环,其组织和性能恶化, 如粗晶脆化、析出脆化和组织转变脆化等, 甚至产生微裂纹, 韧性明显降低。韧性不足会造成失效, 但韧性过高也会使制造困难从而增加成本。因而工程实践中要求将焊接接头的韧性控制在一个合理的范围内, 而要这样做, 首先要能够准确评价焊接接头的韧性。

评价焊接接头韧性的传统试验方法是夏比(Cha rpy )冲击试验。但是夏比冲击韧性实际上是一个衡量焊接接头抗冲击能力的指标, 它不能全面反映焊接接头的真实韧性, 也不能解释焊接接头的失效机制, 更不能反映焊接残余应力、焊接接头几何尺寸约束等因素对韧性的影响。因此, 用夏比冲击韧性值来评价焊接接头的韧性, 有明显的局限性。

随着断裂力学学科的发展, 已有一种裂纹尖端张开位移(简称CTOD )试验方法, 能较准确地评价焊接接头的韧性。1991年, 英国焊接研究所提出标准BS 7448 Par t1, 给出了金属材料CTOD、J和KIC的试验方法。1997年, 英国焊接研究所又提出该标准的第二部分BS 7448 Par t2,针对焊接接头中各区域性能不均匀和存在残余应力等特点, 对BS 7448 Par t1进行了修正和补充,这是国际上第一部测量焊接接头CTOD、J和K IC的标准。

在导管架建造的焊接实践中, 设计了两种焊接工艺, 然后按照标准BS7448 Par t1 和BS 7448 Pa rt2, 在挪威船级社(DET NO RSK EV ER ITA S)鉴定员现场监督下, 用C TO D试验方法, 评价了焊接接头的韧性, 取得了良好的结果2。

裂纹尖端张开位移符号裂纹扩展时其尖端张开的位移，记为δ。δ的临界值δc也是表征材料断裂韧性的一个判据。

相应于裂纹尖端位于焊接接头焊缝金属中的COD值用符号δW表示；相应于裂纹尖端位于熔合区的COD值用符号δF表示；相应于裂纹尖端位于热影响区的COD值用符号δH表示；相应于裂纹尖端位于不受焊接热循环作用的基材中的COD 值用符号δB表示。