关于韧性断裂的颈缩区模型

　　引　言

　　强冲击载荷下结构的失效,例如交通工具、石油平台、大型栈桥和船闸的撞击破坏,压力容器和管道的爆裂等都会出现大范围的韧性断裂。为了估计结构失效时可能产生的破坏程度,提高结构的耐撞性,以及进行吸收冲击能量的撞击防护系统的设计计算,必须知道韧性断裂在结构中传播时所耗散的能量,即材料在裂纹失稳扩展情况下的断裂韧性。韧性断裂过程本身极其复杂,尽管人们在弹塑性断裂力学范围内对韧性断裂作了大量研究,取得不少成果,但在韧性断裂失稳扩展后的传播阻力研究方面还没有取得根本的突破,至于动载下韧性断裂快速传播的研究,由于在理论分析和实验技术方面都比静载情况复杂得多,进展更为缓慢。

　　作者自1987年起开展了低碳钢中韧性断裂传播阻力的研究,在此基础上提出了描述韧性断裂传播过程的理论模型—颈缩区模型,并给出了用颈缩区内耗散的塑性功计算断裂比能的公式,从而提供了计算结构由于韧性裂纹扩展而耗散的能量的简便实用的工程方法^[1-3] 。

　　本文报告了对颈缩区模型的进一步研究。通过对冲击加载下20 g钢DCB试件的拉伸撕裂试验结果的分析,考察了颈缩区模型描述动载下韧性断裂传播过程的适用性,研究了静、动载撕裂试件颈缩区特征参数之间的关系,提出了表征颈缩区特征的材料参数nk,给出了用颈缩区模型计算静、动载条件下材料断裂比能的统一公式。

　　1　理论分析

　　作者把Dugdale模型推广应用于韧性断裂传播阻力的研究,于1997年提出了描述韧性断裂传播过程的颈缩区模型:平面应力状态下在韧性裂纹传播路径两侧存在着总宽度为dn的颈缩区,颈缩区内的平均塑性应变εn以及dn都仅取决于材料的性能和断裂部分的厚度,颈缩区内耗散的塑性功就等于总断裂能wf[3]。对于双面开槽的DCB试件来说,试件槽内的韧带可视为一系列垂直于裂纹传播方向而并列的板状拉伸试件,韧性裂纹的扩展过程就是这些拉伸试件逐个拉伸—颈缩—断裂的过程。颈缩区内应变分布并不均匀,而由于应变强化效应,流动应力也不是均布的。根据颈缩区模型,表征韧性断裂传播阻力的断裂比能的计算公式为

　　式中,σn为颈缩区内的平均流动应力。作为近似,可取σn=(σs+σb)/2,σs和σb分别为材料单向拉伸试验所确定的屈服极限和强度极限。颈缩区宽度dn与试件韧带厚度有关,即取决于塑性流动的几何约束程度。一些作者曾指出颈缩区宽度与试件断裂部分厚度相当,但均未给出定量描述[4,5]。作者引入一个系数来描述几何约束程度的大小

　　式中,k1为与试件材料性能及试件韧带厚度有关的颈缩区宽度系数。颈缩区内韧带断裂时的应变因受裂尖和横向约束的影响而小于板状拉伸试件断裂时的应变。也可以用一个系数反映这种影响。颈缩区内平均塑性应变