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2_3Griffith微裂纹强度理论
Griffith(格里菲斯)认为,实际材料中存在许多细小的裂纹或缺陷。在外力作用下,这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象。当应力达到一定程度时,裂纹开始扩展而导致断裂。所以,断裂不是两部分晶体沿整个晶面拉断,而是裂纹扩展的结果。;材料中的裂纹型缺陷:材料中的伤痕、裂纹、气孔、杂质等宏观缺陷。;孔洞端部应力:
?A=?(1+2c/a), ?=a2/c;?是很小的,近似为原子间距a,则
?A = 2? (c/a)1/2
;前面只考虑了裂纹端部一点的应力,实际上裂纹端部的应力状态是很复杂的。;将单位厚度的薄板拉长至l+?l,然后固定两端。此时板中储存的弹性应变能为 ?(F·?l)。
在板上割出一条长度2c的裂纹,产生两个新的表面。因此,弹性应变能降低。;由弹性理论,割开长2c的裂纹时,平面应力状态下应变能的降低为
We=πc2?2/E
若为厚板,则属于平面应变状态,此时应变能的降低为
We= (1-μ2)πc2?2/E
;平面应力状态:讨论的弹性体为薄板,薄壁厚度远远小于结构另外两个方向的尺度。薄板的中面为平面,其所受外力,包括体力均平行于中面面内,并沿厚度方向不变。
平面应变状态:比如压力管道、水坝等,这类弹性体是具有很长的纵向轴的柱形物体,横截面大小和形状沿轴线长度不变;作用外力与纵向轴垂直,并且沿长度不变;柱体的两端受固定约束。;产生长度2c,厚度为1的两个新断面所需的表面能为
Ws = 4c? (2c×1×?)×2;因此,当dwe/(2dc) dws/(2dc)时,为稳定状态,裂纹 不会扩展;
当dwe/(2dc) =dws/(2dc)时,为临界状态;
当dwe/(2dc) dws/(2dc)时,裂纹失稳,迅速扩 散。
将We=πc2?2/E和Ws = 4c? 代入,可得临界条件为:
πc?c2/E=2?
;即: ?c=(2E?/πc)1/2
若是平面应变状态,则为:
?c=[2E?/(1-μ2) πc]1/2
;1. 若能控制裂纹长度和原子间距在同一数量级,则材料可以达到理论强度。(很难做到)
2. 制备高强度材料:E和?要大,裂纹尺寸尽可能小。 (P45实例);产生误差的原因:延性材料在受力时,产生大的塑性形变,要消耗大量的能量。(假设塑性变形消耗了一半的能量……)
则:释放的弹性形变能中只有1/2用??增加表面能。因此,临界状态下d(we/2)/(2dc) =dws/(2dc),将We=πc2?2/E和Ws = 4c? 代入,可得临界条件为:
1/2πc?c2/E=2?
得: ?c=(4E?/πc)1/2 大于?c=(2E?/πc)1/2
;可以引入扩展单位面积裂纹所需的塑性功?p来描述延性材料的断裂(与前面假设的考虑方向相反,即增加了新生表面能)。
?c=[E(?+?p)/πc)]1/2
通常?p?,因此,对于金属和陶瓷材料,当E和?c相同的情况下,其临界裂纹长度相差103数量级。(P46)
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