損傷力學(xué)PPT課件

1、損傷力學(xué)損傷力學(xué) 損傷力學(xué)是固體力學(xué)中近損傷力學(xué)是固體力學(xué)中近2O2O年發(fā)展起來的一門新分支年發(fā)展起來的一門新分支學(xué)科，是材料與結(jié)構(gòu)的變形和破壞理論的重要組成部分。學(xué)科，是材料與結(jié)構(gòu)的變形和破壞理論的重要組成部分。損傷力學(xué)是研究材料或構(gòu)件在各種加載條件下，物體中的損傷力學(xué)是研究材料或構(gòu)件在各種加載條件下，物體中的損傷隨變形而演化發(fā)展直至破壞的過程的學(xué)科。它與斷裂損傷隨變形而演化發(fā)展直至破壞的過程的學(xué)科。它與斷裂力學(xué)一起組成破壞力學(xué)的主要框架，以研究物體由損傷直力學(xué)一起組成破壞力學(xué)的主要框架，以研究物體由損傷直至斷裂破壞的這樣一類破壞過程的力學(xué)規(guī)律。損傷力學(xué)是至斷裂破壞的這樣一類破壞過程的力學(xué)規(guī)

2、律。損傷力學(xué)是不僅是力學(xué)專業(yè)研究生的學(xué)位必修課程，也是面向機(jī)械、不僅是力學(xué)專業(yè)研究生的學(xué)位必修課程，也是面向機(jī)械、材料成型加工、土木工程、鐵道、水利、能源、巖土工程材料成型加工、土木工程、鐵道、水利、能源、巖土工程等專業(yè)的研究生的一門選修課程。等專業(yè)的研究生的一門選修課程。先修課程：彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、張量分析與先修課程：彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、張量分析與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)損傷力學(xué)課程體系損傷力學(xué)課程體系課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容o 損傷力學(xué)簡介損傷力學(xué)簡介o 一維損傷理論一維損傷理論o 幾何損傷理論幾何損傷理論o 損傷力學(xué)的連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)理論損傷力學(xué)的連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)理論o

3、 經(jīng)典損傷模型經(jīng)典損傷模型o 損傷力學(xué)在斷裂分析中的應(yīng)用損傷力學(xué)在斷裂分析中的應(yīng)用o 損傷測量及工程結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測損傷測量及工程結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測教材及參考書教材及參考書o 損傷力學(xué)基礎(chǔ)，李灝著，山東科學(xué)技術(shù)出版社，損傷力學(xué)基礎(chǔ)，李灝著，山東科學(xué)技術(shù)出版社，19921992o 損傷力學(xué)，余壽文，馮西橋編著，清華大學(xué)出版社，損傷力學(xué)，余壽文，馮西橋編著，清華大學(xué)出版社，19971997o 損傷理論及其應(yīng)用，余天慶，錢濟(jì)成，國防工業(yè)出版社，損傷理論及其應(yīng)用，余天慶，錢濟(jì)成，國防工業(yè)出版社，19931993o 損傷力學(xué)教程損傷力學(xué)教程, J., J.勒邁特著勒邁特著, ,倪金剛等譯倪金剛等譯, ,科學(xué)出

4、版科學(xué)出版社社,1996,1996o 損傷力學(xué)及其應(yīng)用損傷力學(xué)及其應(yīng)用, ,李兆霞編著李兆霞編著, ,科學(xué)出版社科學(xué)出版社,2002 ,2002 第一章第一章 損傷力學(xué)簡介損傷力學(xué)簡介第一節(jié)第一節(jié) 損傷力學(xué)的研究對象與內(nèi)容損傷力學(xué)的研究對象與內(nèi)容F-15CF-15C戰(zhàn)斗機(jī)疲勞解體戰(zhàn)斗機(jī)疲勞解體力學(xué)學(xué)科的分類力學(xué)學(xué)科的分類 一般力學(xué)：研究對象是剛體。研究力及其與運(yùn)動一般力學(xué)：研究對象是剛體。研究力及其與運(yùn)動 的關(guān)系。分支學(xué)科有理論力學(xué)，分析力學(xué)等。的關(guān)系。分支學(xué)科有理論力學(xué)，分析力學(xué)等。 固體力學(xué)：研究對象是可變形固體。研究固體材料固體力學(xué)：研究對象是可變形固體。研究固體材料 變形、流動和斷裂時

5、的力學(xué)響應(yīng)。其分支學(xué)科有：變形、流動和斷裂時的力學(xué)響應(yīng)。其分支學(xué)科有： 彈性力學(xué)、彈性力學(xué)、 塑性力學(xué)、彈塑性力學(xué)、粘彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、彈塑性力學(xué)、粘彈性力學(xué)、 損傷力學(xué)損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、板殼理論等斷裂力學(xué)、板殼理論等。 流體力學(xué)：研究對象是液體，如氣體或液體。分流體力學(xué)：研究對象是液體，如氣體或液體。分 支學(xué)科涉及到水力學(xué)、空氣動力學(xué)等。支學(xué)科涉及到水力學(xué)、空氣動力學(xué)等。傳傳統(tǒng)統(tǒng)強(qiáng)強(qiáng)度度理理論論損損傷傷力力學(xué)學(xué)斷斷裂裂力力學(xué)學(xué)破破壞壞力力學(xué)學(xué)變變形形損損傷傷宏宏觀觀裂裂紋紋裂裂紋紋擴(kuò)擴(kuò)展展破破壞壞塑塑性性失失穩(wěn)穩(wěn)破壞力學(xué)的發(fā)展破壞力學(xué)的發(fā)展破壞力學(xué)發(fā)展的三個階段破壞力學(xué)發(fā)展的三個階段 古

6、典強(qiáng)度理論：古典強(qiáng)度理論： 以強(qiáng)度為指標(biāo)以強(qiáng)度為指標(biāo) 斷裂力學(xué)：斷裂力學(xué)： 以韌度為指標(biāo)以韌度為指標(biāo) 損傷力學(xué)：損傷力學(xué)： 以漸進(jìn)衰壞為指標(biāo)以漸進(jìn)衰壞為指標(biāo)損傷力學(xué)定義損傷力學(xué)定義 細(xì)細(xì)( (微微) )結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 不可逆劣化不可逆劣化( (衰壞衰壞) )過程過程 引起的引起的 材料材料( (構(gòu)件構(gòu)件) )性能變化性能變化 變形破壞的力學(xué)規(guī)律變形破壞的力學(xué)規(guī)律 ICICJKJK , ,C傳統(tǒng)材料力學(xué)的傳統(tǒng)材料力學(xué)的強(qiáng)度強(qiáng)度問題問題o 兩大假設(shè)：兩大假設(shè)：均勻、連續(xù)均勻、連續(xù)材材料料力力學(xué)學(xué)應(yīng)應(yīng)用用強(qiáng)強(qiáng)度度理理論論強(qiáng)強(qiáng)度度指指標(biāo)標(biāo)強(qiáng)強(qiáng)度度分分析析1bs CCkfNf ,評評定定選選材材壽壽命命CSU

7、斷裂力學(xué)的斷裂力學(xué)的韌度韌度問題問題o 均勻性假設(shè)仍成立，但且僅在缺陷處均勻性假設(shè)仍成立，但且僅在缺陷處不連續(xù)不連續(xù)CSUa斷斷裂裂力力學(xué)學(xué)響響應(yīng)應(yīng)阻阻力力應(yīng)應(yīng)用用裂裂紋紋擴(kuò)擴(kuò)展展準(zhǔn)準(zhǔn)則則Ci奇奇異異場場控控制制參參量量選選材材工工藝藝維維修修缺缺陷陷評評定定TCKRRCiCiICTJJJK, ,.,afNTTfifCCi損傷力學(xué)的評定方法損傷力學(xué)的評定方法o 均勻性和連續(xù)性假設(shè)均不成立均勻性和連續(xù)性假設(shè)均不成立CSUa損損傷傷力力學(xué)學(xué)損損傷傷響響應(yīng)應(yīng)與與初初邊邊值值損損傷傷臨臨界界參參量量應(yīng)應(yīng)用用損損傷傷準(zhǔn)準(zhǔn)則則與與損損傷傷演演化化D Da am ma ag ge e MMe ec ch h

8、a an ni ic cs s損損傷傷參參量量本本構(gòu)構(gòu)方方程程演演化化方方程程:(2)類類本本構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計選選材材壽壽命命 ,iC,.ffdtd一、損傷力學(xué)的定義一、損傷力學(xué)的定義Damage MechanicsDamage MechanicsContinuum Damage Mechanics (CDM)Continuum Damage Mechanics (CDM)損傷力學(xué)研究材料在損傷階段的力學(xué)行為及相損傷力學(xué)研究材料在損傷階段的力學(xué)行為及相應(yīng)的邊值問題。它系統(tǒng)地討論微觀缺陷對材料的機(jī)應(yīng)的邊值問題。它系統(tǒng)地討論微觀缺陷對材料的機(jī)械性能、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布的影響以及缺陷的演化規(guī)械性能、結(jié)構(gòu)的應(yīng)

9、力分布的影響以及缺陷的演化規(guī)律。主要用于分析結(jié)構(gòu)破壞的整個過程，即微裂紋律。主要用于分析結(jié)構(gòu)破壞的整個過程，即微裂紋的演化、宏觀裂紋的形成直至結(jié)構(gòu)的破壞。的演化、宏觀裂紋的形成直至結(jié)構(gòu)的破壞。損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)的關(guān)系損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)的關(guān)系o 損傷力學(xué)分析材料從變形到破壞，損傷逐漸積累的整損傷力學(xué)分析材料從變形到破壞，損傷逐漸積累的整個過程；斷裂力學(xué)分析裂紋擴(kuò)展的過程。個過程；斷裂力學(xué)分析裂紋擴(kuò)展的過程。微裂紋孕育萌生擴(kuò)展匯合脆斷剪切帶形成快速擴(kuò)展微孔洞形核長大匯合韌斷宏觀裂紋啟裂分岔駐止擴(kuò)展失穩(wěn)疲勞斷裂力學(xué)損傷力學(xué)損傷力學(xué)的應(yīng)用損傷力學(xué)的應(yīng)用損損傷傷力力學(xué)學(xué)壽壽命命強(qiáng)強(qiáng)度度穩(wěn)穩(wěn)定定材材料料韌

10、韌化化加加工工力力學(xué)學(xué)性性能能預(yù)預(yù)計計斷斷裂裂過過程程（脆脆、韌韌）物物理理性性能能二、損傷力學(xué)研究的范圍和主要內(nèi)容二、損傷力學(xué)研究的范圍和主要內(nèi)容損傷力學(xué)損傷力學(xué)破壞預(yù)報破壞預(yù)報壽命預(yù)報壽命預(yù)報初邊值問題、變初邊值問題、變分問題分問題損傷變量的定義、損傷變量的定義、測量測量本構(gòu)方程與演化本構(gòu)方程與演化方程方程損傷力學(xué)解決的基本問題損傷力學(xué)解決的基本問題o 如何從物理學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)的觀點來闡明和描述損傷，如何從物理學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)的觀點來闡明和描述損傷，引入簡便、適用的損傷變量引入簡便、適用的損傷變量o 如何檢測損傷、監(jiān)測損傷發(fā)展規(guī)律、建立損傷演變方程如何檢測損傷、監(jiān)測損傷發(fā)展規(guī)律、建立損傷

11、演變方程o 如何建立初始損傷條件和損傷破壞準(zhǔn)則如何建立初始損傷條件和損傷破壞準(zhǔn)則o 如何描述和建立損傷本構(gòu)關(guān)系如何描述和建立損傷本構(gòu)關(guān)系o 如何將損傷力學(xué)的理論分析應(yīng)用于工程實際問題如何將損傷力學(xué)的理論分析應(yīng)用于工程實際問題損傷的定義損傷的定義 損傷是指材料在冶煉、冷熱工藝過程、載荷、溫?fù)p傷是指材料在冶煉、冷熱工藝過程、載荷、溫度、環(huán)境等的作用下，其微細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起微缺度、環(huán)境等的作用下，其微細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起微缺陷成胚、孕育、擴(kuò)展和匯合，從而導(dǎo)致材料宏觀力學(xué)性陷成胚、孕育、擴(kuò)展和匯合，從而導(dǎo)致材料宏觀力學(xué)性能的劣化，最終形成宏觀開裂或材料破壞。能的劣化，最終形成宏觀開裂或材料破壞。o

12、 細(xì)觀的、物理學(xué)細(xì)觀的、物理學(xué)損傷是材料組分晶粒的位錯、微孔棟、損傷是材料組分晶粒的位錯、微孔棟、為裂隙等微缺陷形成和發(fā)展的結(jié)果。為裂隙等微缺陷形成和發(fā)展的結(jié)果。o 宏觀的、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)宏觀的、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)損傷是材料內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)損傷是材料內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一種不可逆的、耗能的演變過程。的一種不可逆的、耗能的演變過程。各種材料的損傷機(jī)理各種材料的損傷機(jī)理o 金屬材料：位錯運(yùn)動、晶間開裂金屬材料：位錯運(yùn)動、晶間開裂o 聚合物：分子長鏈之間的鍵帶破壞聚合物：分子長鏈之間的鍵帶破壞o 復(fù)合材料：纖維與基體之間的脫鍵復(fù)合材料：纖維與基體之間的脫鍵o 陶瓷：夾雜物與基體間的微分離陶瓷：夾雜物與基體間的

13、微分離o 混凝土：集料與水泥之間的分離混凝土：集料與水泥之間的分離金屬材料的損傷機(jī)理金屬材料的損傷機(jī)理o 在剪應(yīng)力作用下，原子間的結(jié)合鍵發(fā)生位錯運(yùn)動，從而在剪應(yīng)力作用下，原子間的結(jié)合鍵發(fā)生位錯運(yùn)動，從而導(dǎo)致材料發(fā)生塑性應(yīng)變。位錯運(yùn)動被某一微缺陷或微應(yīng)導(dǎo)致材料發(fā)生塑性應(yīng)變。位錯運(yùn)動被某一微缺陷或微應(yīng)力集中所終止，將產(chǎn)生一個約束區(qū)。位錯的多次終止產(chǎn)力集中所終止，將產(chǎn)生一個約束區(qū)。位錯的多次終止產(chǎn)生微裂紋核。生微裂紋核。o 晶間開裂晶間開裂o 夾雜物與基體間的分離夾雜物與基體間的分離位錯運(yùn)動對材料斷裂有兩方面的作用：位錯運(yùn)動對材料斷裂有兩方面的作用： 引起塑性形變，導(dǎo)致應(yīng)力松弛和抑制裂紋擴(kuò)展；引起塑

14、性形變，導(dǎo)致應(yīng)力松弛和抑制裂紋擴(kuò)展； 位錯運(yùn)動受阻，導(dǎo)致應(yīng)力集中和裂紋成核。位錯運(yùn)動受阻，導(dǎo)致應(yīng)力集中和裂紋成核。例如：位錯塞積群的前端，可產(chǎn)生使裂紋開裂的應(yīng)力集例如：位錯塞積群的前端，可產(chǎn)生使裂紋開裂的應(yīng)力集中。中。位錯型缺陷引起微裂紋位錯型缺陷引起微裂紋位錯塞積模型位錯塞積模型 滑移帶前端有障礙物，領(lǐng)先位錯到達(dá)時，受阻而停止不前；滑移帶前端有障礙物，領(lǐng)先位錯到達(dá)時，受阻而停止不前； 相繼釋放出來的位錯最終導(dǎo)致位錯源的封閉；相繼釋放出來的位錯最終導(dǎo)致位錯源的封閉； 在障礙物前形成一個位錯塞積群，導(dǎo)致裂紋成核。在障礙物前形成一個位錯塞積群，導(dǎo)致裂紋成核。位錯反應(yīng)位錯反應(yīng)(101)(101)(0

15、01)兩個滑移帶上位錯的聚合兩個滑移帶上位錯的聚合 形成裂口形成裂口位錯墻側(cè)移位錯墻側(cè)移刃形位錯垂直排列刃形位錯垂直排列位錯墻位錯墻滑移面彎折滑移面彎折外力作用外力作用晶體滑移晶體滑移位錯墻側(cè)移位錯墻側(cè)移滑移面上生成裂紋?；泼嫔仙闪鸭y。晶間開裂晶間開裂穿晶斷裂穿晶斷裂沿晶斷裂沿晶斷裂許多聚合物，尤其是許多聚合物，尤其是玻璃態(tài)透明聚合物如聚玻璃態(tài)透明聚合物如聚苯乙烯、有機(jī)玻璃、聚苯乙烯、有機(jī)玻璃、聚碳酸酯等，在存儲及使碳酸酯等，在存儲及使用過程中，由于應(yīng)力和用過程中，由于應(yīng)力和環(huán)境因素的影響，表面環(huán)境因素的影響，表面往往會出現(xiàn)一些微裂紋。往往會出現(xiàn)一些微裂紋。這些裂紋的平面能強(qiáng)烈這些裂紋的平

16、面能強(qiáng)烈反射可見光，形成銀色反射可見光，形成銀色的閃光，故稱為銀紋，的閃光，故稱為銀紋，相應(yīng)的開裂現(xiàn)象稱為銀相應(yīng)的開裂現(xiàn)象稱為銀紋化現(xiàn)象。紋化現(xiàn)象。銀紋損傷銀紋損傷拉伸試樣在拉斷前產(chǎn)生銀紋化現(xiàn)拉伸試樣在拉斷前產(chǎn)生銀紋化現(xiàn)象，銀紋方向與應(yīng)力方向垂直象，銀紋方向與應(yīng)力方向垂直損傷的分類損傷的分類宏觀（變形狀態(tài)）：宏觀（變形狀態(tài)）： 彈性損傷彈性損傷 彈塑性損傷彈塑性損傷 蠕變損傷蠕變損傷 疲勞損傷疲勞損傷微觀（損傷形式）：微觀（損傷形式）： 微裂紋損傷（微裂紋損傷（micro-crack） 微孔洞損傷（微孔洞損傷（micro-void） 剪切帶損傷（剪切帶損傷（shear bond） 界面（界面（

17、interface）彈脆性損傷彈脆性損傷：巖石、混凝土、復(fù)合材料、低溫金屬：巖石、混凝土、復(fù)合材料、低溫金屬彈塑性損傷彈塑性損傷：金屬、復(fù)合材料、聚合物的基體，滑移界面：金屬、復(fù)合材料、聚合物的基體，滑移界面( (裂紋、裂紋、 缺口、孔洞附近細(xì)觀微空間缺口、孔洞附近細(xì)觀微空間) )，顆粒的脫膠，顆粒微裂紋引起微空，顆粒的脫膠，顆粒微裂紋引起微空洞形核、擴(kuò)展洞形核、擴(kuò)展剝落剝落( (散裂散裂) )損傷損傷：沖擊載荷引起彈塑性損傷；細(xì)觀孔洞、微裂紋：沖擊載荷引起彈塑性損傷；細(xì)觀孔洞、微裂紋均勻分布孔洞擴(kuò)展與應(yīng)力波耦合均勻分布孔洞擴(kuò)展與應(yīng)力波耦合疲勞損傷疲勞損傷：重復(fù)載荷引起穿晶細(xì)觀表面裂紋；低周疲

18、勞分布裂：重復(fù)載荷引起穿晶細(xì)觀表面裂紋；低周疲勞分布裂紋紋蠕變損傷蠕變損傷：由蠕變的細(xì)觀晶界孔洞形核、擴(kuò)展，主要由于晶界滑：由蠕變的細(xì)觀晶界孔洞形核、擴(kuò)展，主要由于晶界滑移、擴(kuò)散移、擴(kuò)散蠕變疲勞損傷蠕變疲勞損傷：高溫、重復(fù)載荷引起損傷，晶間孔洞與穿晶裂：高溫、重復(fù)載荷引起損傷，晶間孔洞與穿晶裂紋的非線性耦合紋的非線性耦合腐蝕損傷腐蝕損傷：點蝕、晶間腐蝕、晶間孔洞與穿晶裂紋的非線性耦合：點蝕、晶間腐蝕、晶間孔洞與穿晶裂紋的非線性耦合輻照損傷輻照損傷：中子、射線的輻射，原子撞擊引起的損傷，孔洞形核、：中子、射線的輻射，原子撞擊引起的損傷，孔洞形核、成泡、腫脹成泡、腫脹脆性損傷脆性損傷o當(dāng)萌生一個細(xì)

19、觀裂紋而當(dāng)萌生一個細(xì)觀裂紋而無宏觀塑性應(yīng)變時的損無宏觀塑性應(yīng)變時的損傷。傷。o塑性應(yīng)變小于彈性應(yīng)變，塑性應(yīng)變小于彈性應(yīng)變，即解理力小于產(chǎn)生滑移即解理力小于產(chǎn)生滑移的力但大于脫鍵力。的力但大于脫鍵力。特征：損傷局部化程度較高。特征：損傷局部化程度較高。延性損傷延性損傷o 拉伸時以拉伸時以“頸縮頸縮” ” 為先導(dǎo)。為先導(dǎo)。o 細(xì)頸中心承受三向拉應(yīng)力細(xì)頸中心承受三向拉應(yīng)力, , 微空洞微空洞cavitycavity首先在此形成首先在此形成, , 隨后長大聚合成裂紋隨后長大聚合成裂紋, , 最終最終在細(xì)頸邊緣處在細(xì)頸邊緣處, ,沿與拉伸軸沿與拉伸軸4545o o方向被剪斷方向被剪斷, , 形成形成“杯

20、杯錐錐”斷口。斷口。o 損傷與大于某一門檻值的塑損傷與大于某一門檻值的塑性應(yīng)變同時發(fā)生。性應(yīng)變同時發(fā)生。脆性試樣斷裂表面的照片脆性試樣斷裂表面的照片 韌性試樣斷裂表面的照片韌性試樣斷裂表面的照片脆性試樣斷裂表面的電鏡照片脆性試樣斷裂表面的電鏡照片 韌性試樣斷裂表面的電鏡照片韌性試樣斷裂表面的電鏡照片剪切屈服帶剪切屈服帶蠕變損傷蠕變損傷o 金屬在高溫下承載時，金屬在高溫下承載時，塑性應(yīng)變中包含了粘性。塑性應(yīng)變中包含了粘性。o 應(yīng)變足夠大時，產(chǎn)生沿應(yīng)變足夠大時，產(chǎn)生沿晶開裂而引起損傷。晶開裂而引起損傷。o 通過蠕變使應(yīng)變率有所通過蠕變使應(yīng)變率有所增長。增長。1 1、斷口的、斷口的宏觀特征宏觀特征o

21、 在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)使斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；象；o 由于高溫氧化，斷口表面往由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。往被一層氧化膜所覆蓋。2 2、斷口的微觀特征斷口的微觀特征o 主要為主要為冰糖狀花樣冰糖狀花樣的沿晶斷的沿晶斷裂形貌裂形貌 低周疲勞損傷低周疲勞損傷高周疲勞損傷高周疲勞損傷o 當(dāng)材料受到低幅值應(yīng)力當(dāng)材料受到低幅值應(yīng)力循環(huán)載荷時，細(xì)觀塑性循環(huán)載荷時，細(xì)觀塑性應(yīng)變很小，但在微觀水應(yīng)變很小，但在微觀水平的某些點處的塑性變平的某些點處的塑性變形可能很高。形可能很高。o 在這

22、些點處只在一些平在這些點處只在一些平面上會產(chǎn)生穿晶微開裂。面上會產(chǎn)生穿晶微開裂。o 失效的循環(huán)數(shù)很高，失效的循環(huán)數(shù)很高，NR10000NR10000復(fù)合材料拉伸斷口復(fù)合材料拉伸斷口損傷的宏觀測量損傷的宏觀測量o 直接測量直接測量o 間接測量間接測量n剩余壽命剩余壽命n密度密度n電阻率電阻率n疲勞極限疲勞極限n彈性模量彈性模量n塑性特征塑性特征n聲速變化聲速變化n粘塑性特征粘塑性特征損傷變量和結(jié)構(gòu)壽命預(yù)報損傷變量和結(jié)構(gòu)壽命預(yù)報損傷演變依賴于：損傷演變依賴于：o 延性失效或疲勞失效中的應(yīng)力延性失效或疲勞失效中的應(yīng)力o 蠕變、腐蝕或輻照過程中的應(yīng)力蠕變、腐蝕或輻照過程中的應(yīng)力o 疲勞損傷時載荷循環(huán)周

23、數(shù)疲勞損傷時載荷循環(huán)周數(shù)三、損傷力學(xué)的發(fā)展歷程三、損傷力學(xué)的發(fā)展歷程o KachanovKachanov，19581958，連續(xù)性因子和有效應(yīng)力的概念，連續(xù)性因子和有效應(yīng)力的概念o RabotnovRabotnov，19631963，損傷因子的概念，損傷因子的概念o LemaitreLemaitre，19711971，損傷的概念重新提出，損傷的概念重新提出o LeckieLeckie & Hult,1974, & Hult,1974,蠕變損傷研究的推進(jìn)蠕變損傷研究的推進(jìn)o 7070年代中末期，年代中末期，CDMCDM的框架逐步形成的框架逐步形成o MurakamiMurakam

24、i，1980s1980s，幾何損傷理論，幾何損傷理論o 8080年代中年代中BuiBui、DysonDyson、KrajcinovicKrajcinovic、SidoroffSidoroff等人的等人的工作對損傷力學(xué)的發(fā)展作出了重大的貢獻(xiàn)工作對損傷力學(xué)的發(fā)展作出了重大的貢獻(xiàn)o 9090年代，細(xì)觀損傷力學(xué)發(fā)展起來年代，細(xì)觀損傷力學(xué)發(fā)展起來o 19801980年，國際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會再美國召開年，國際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會再美國召開“用連用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法對損傷和壽命進(jìn)行預(yù)測續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法對損傷和壽命進(jìn)行預(yù)測”的研討會的研討會o 19811981年，歐洲力學(xué)委員會在巴黎召開了第一次損傷力學(xué)年，歐

25、洲力學(xué)委員會在巴黎召開了第一次損傷力學(xué)國際會議國際會議o 19821982年，美國召開了第二次關(guān)于損傷力學(xué)的國際學(xué)術(shù)會年，美國召開了第二次關(guān)于損傷力學(xué)的國際學(xué)術(shù)會議議o 19821982年，中國首次召開了全國損傷力學(xué)學(xué)術(shù)討論會年，中國首次召開了全國損傷力學(xué)學(xué)術(shù)討論會o 19861986年，法國召開了斷裂的局部方法國際學(xué)術(shù)會議，使年，法國召開了斷裂的局部方法國際學(xué)術(shù)會議，使損傷理論用于工程結(jié)構(gòu)向前推進(jìn)了一步損傷理論用于工程結(jié)構(gòu)向前推進(jìn)了一步第二節(jié)第二節(jié) 損傷力學(xué)的研究方法與基本理論損傷力學(xué)的研究方法與基本理論o 連續(xù)損傷力學(xué)（連續(xù)損傷力學(xué)（Continuum Damage Mechanics,

26、CDMContinuum Damage Mechanics, CDM）n將具有離散結(jié)構(gòu)的損傷材料模擬為連續(xù)介質(zhì)模型，引入損傷變將具有離散結(jié)構(gòu)的損傷材料模擬為連續(xù)介質(zhì)模型，引入損傷變量（場變量），描述從材料內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂紋的過程，量（場變量），描述從材料內(nèi)部損傷到出現(xiàn)宏觀裂紋的過程，唯像地導(dǎo)出材料的損傷本構(gòu)方程，形成損傷力學(xué)的初、邊值問唯像地導(dǎo)出材料的損傷本構(gòu)方程，形成損傷力學(xué)的初、邊值問題，然后采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法求解題，然后采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法求解 o 過程：過程：n選取物體內(nèi)某點的代表性體積單元選取物體內(nèi)某點的代表性體積單元n定義損傷變量定義損傷變量n建立損傷演化方程建立損傷演化

27、方程n建立損傷本構(gòu)方程建立損傷本構(gòu)方程n根據(jù)初始條件、邊界條件求解，判斷各點的損傷狀態(tài)、建立破根據(jù)初始條件、邊界條件求解，判斷各點的損傷狀態(tài)、建立破壞準(zhǔn)則壞準(zhǔn)則o 細(xì)觀損傷力學(xué)（細(xì)觀損傷力學(xué)（MesoMeso-Damage Mechanics, MDM-Damage Mechanics, MDM）n根據(jù)材料細(xì)觀成分的單獨的力學(xué)行為，如基體、夾雜、微裂紋、根據(jù)材料細(xì)觀成分的單獨的力學(xué)行為，如基體、夾雜、微裂紋、微孔洞和剪切帶等，采用某種均勻化方法，將非均質(zhì)的細(xì)觀組微孔洞和剪切帶等，采用某種均勻化方法，將非均質(zhì)的細(xì)觀組織性能轉(zhuǎn)化為材料的宏觀性能，建立分析計算理論織性能轉(zhuǎn)化為材料的宏觀性能，建立分析

28、計算理論o 過程：過程：n選取物體內(nèi)某點的代表性體積單元，需滿足尺度的雙重性選取物體內(nèi)某點的代表性體積單元，需滿足尺度的雙重性n連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及熱力學(xué)分析膝關(guān)節(jié)夠的損傷演化、變形連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及熱力學(xué)分析膝關(guān)節(jié)夠的損傷演化、變形n通過細(xì)觀尺度上的平均化方法將細(xì)觀結(jié)果反映到宏觀本構(gòu)、損通過細(xì)觀尺度上的平均化方法將細(xì)觀結(jié)果反映到宏觀本構(gòu)、損傷演化、斷裂等行為上傷演化、斷裂等行為上o 能量損傷理論：能量損傷理論：n 以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)為基礎(chǔ)以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)為基礎(chǔ)n 損傷過程視為不可逆能量轉(zhuǎn)換過程損傷過程視為不可逆能量轉(zhuǎn)換過程n 由體系的自由能和耗散勢導(dǎo)出損傷演化方程和本構(gòu)由體系的自由能和耗散勢

29、導(dǎo)出損傷演化方程和本構(gòu)關(guān)系關(guān)系n 金屬及非金屬材料的損傷金屬及非金屬材料的損傷o 幾何損傷理論：幾何損傷理論：n 損傷度的大小和損傷的演化與材料中的微缺陷的尺損傷度的大小和損傷的演化與材料中的微缺陷的尺寸、形狀、密度及分布有關(guān)寸、形狀、密度及分布有關(guān)n 損傷的幾何描述和等價應(yīng)力的概念相結(jié)合損傷的幾何描述和等價應(yīng)力的概念相結(jié)合n 巖石、混凝土結(jié)構(gòu)的損傷分析巖石、混凝土結(jié)構(gòu)的損傷分析代表性體積單元代表性體積單元 它比工程構(gòu)件的尺寸小得多，但又不是微結(jié)構(gòu)，而是包它比工程構(gòu)件的尺寸小得多，但又不是微結(jié)構(gòu)，而是包含足夠多的微結(jié)構(gòu)含足夠多的微結(jié)構(gòu), ,在這個單元內(nèi)研究非均勻連續(xù)的物在這個單元內(nèi)研究非均勻連

30、續(xù)的物理量平均行為和響應(yīng)理量平均行為和響應(yīng) LemaitreLemaitre（19711971）建議某些典型材料代表體元的尺寸為：）建議某些典型材料代表體元的尺寸為：n金屬材料金屬材料0.1mm0.1mm0.1mm0.1mm0.1mm0.1mmn高分子及復(fù)合材料高分子及復(fù)合材料1mm1mm1mm1mm1mm1mmn木材木材10mm10mm10mm10mm10mm10mmn混凝土材料混凝土材料100mm100mm100mm100mm100mm100mm連續(xù)損傷力學(xué)中的代表性體積單元連續(xù)損傷力學(xué)中的代表性體積單元 AAnba損傷變量損傷變量 AARabotnov（1963）損傷度1D Kachan

31、ovKachanov（19581958）連續(xù)性因子連續(xù)性因子 損傷本構(gòu)方程損傷本構(gòu)方程 o 利用利用等效性假設(shè)等效性假設(shè) o 根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論 基于等效性假設(shè)的損傷本構(gòu)方程（基于等效性假設(shè)的損傷本構(gòu)方程（LemaitreLemaitre，19711971） n損傷材料的本構(gòu)關(guān)系與無損狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系形式相同，只是損傷材料的本構(gòu)關(guān)系與無損狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系形式相同，只是將其中的將其中的真實應(yīng)力真實應(yīng)力換成換成有效應(yīng)力。有效應(yīng)力。n一維情形一維情形 1EED根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論導(dǎo)出損傷本構(gòu)方程：根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論導(dǎo)出損傷本構(gòu)方程：o 損傷過程是不可逆熱力學(xué)過程損傷過程是不可

32、逆熱力學(xué)過程o 損傷材料存在一個應(yīng)變能密度和一個耗散勢損傷材料存在一個應(yīng)變能密度和一個耗散勢o 利用它們，根據(jù)內(nèi)變量的正交流動法則導(dǎo)出損傷應(yīng)變利用它們，根據(jù)內(nèi)變量的正交流動法則導(dǎo)出損傷應(yīng)變耦合本構(gòu)方程、損傷應(yīng)變能釋放率方程（即損傷度本構(gòu)耦合本構(gòu)方程、損傷應(yīng)變能釋放率方程（即損傷度本構(gòu)方程）和損傷演化方程的一般形式方程）和損傷演化方程的一般形式 o 一是定義損傷變量并將其視為內(nèi)變量引入到材料的本構(gòu)一是定義損傷變量并將其視為內(nèi)變量引入到材料的本構(gòu)方程中，發(fā)展含損傷內(nèi)變量的本構(gòu)理論方程中，發(fā)展含損傷內(nèi)變量的本構(gòu)理論 o 二是尋找基于試驗結(jié)果之上的損傷演化方程二是尋找基于試驗結(jié)果之上的損傷演化方程 o

33、 歸結(jié)為求塑性勢函數(shù)和自由能函數(shù)歸結(jié)為求塑性勢函數(shù)和自由能函數(shù) o 建立損傷力學(xué)的全部方程建立損傷力學(xué)的全部方程-及其初邊值問題與變分問及其初邊值問題與變分問題的提法題的提法-求解求解小結(jié)：小結(jié)： 第二章第二章 一維損傷理論一維損傷理論第一節(jié)第一節(jié) 損傷變量及有效應(yīng)力損傷變量及有效應(yīng)力一、一、KachanovKachanov（19581958）連續(xù)性因子連續(xù)性因子 研究材料拉伸蠕變斷裂時提出，材料力學(xué)性能劣化的機(jī)理是缺陷研究材料拉伸蠕變斷裂時提出，材料力學(xué)性能劣化的機(jī)理是缺陷導(dǎo)致的承載面積減小。導(dǎo)致的承載面積減小。AAAA取值范圍取值范圍：10無承載能力、破壞無承載能力、破壞無損傷無損傷Cau

34、chy 應(yīng)力應(yīng)力：有效應(yīng)力有效應(yīng)力：AFAAAF101DAAADD1二、二、RabotnovRabotnov（19631963）損傷度損傷度無承載能力、破壞無承載能力、破壞無損傷無損傷nAAADlnDeAADeAAAFAF三、三、Broberg,1975Broberg,1975對于不可壓縮直桿對于不可壓縮直桿,拉伸時拉伸時:eAAAALL000lnlneAAAFAF000DDee0于是有名義應(yīng)力于是有名義應(yīng)力:第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變等價性原理應(yīng)變等價性原理LemaitreLemaitre 名義應(yīng)力名義應(yīng)力作用在作用在受損材料受損材料上引起的應(yīng)變與上引起的應(yīng)變與有效應(yīng)力有效應(yīng)力作作用在與之幾何尺寸相

35、同的用在與之幾何尺寸相同的無損材料無損材料上引起的應(yīng)變等價上引起的應(yīng)變等價. .D0DEeDEE1Ee例例: :單軸拉伸、線彈性本構(gòu)方程單軸拉伸、線彈性本構(gòu)方程產(chǎn)生損傷后，用產(chǎn)生損傷后，用 取代取代 ，DEEe1也可將上式記為也可將上式記為: :EED1受損材料的彈性模量受損材料的彈性模量（有效彈性模量）（有效彈性模量）EeeddE)1 (DEe由由 可得：可得：進(jìn)一步處理可得：進(jìn)一步處理可得：DEEe1當(dāng)加載至某一值時卸載，假定損傷不可逆，即卸載過程中的損傷當(dāng)加載至某一值時卸載，假定損傷不可逆，即卸載過程中的損傷不變，不變， ，且，且 E E 為無損時的彈性模量，是常量，為無損時的彈性模量，

36、是常量，eddED11eeeeeddDEDEDddEdd110eddD二者比較二者比較EED1卸載線的斜率，卸載線的斜率，也稱卸載彈性模量也稱卸載彈性模量一、一、LolandLoland模型模型LolandLoland 把混凝土單軸拉伸破壞的過程分為把混凝土單軸拉伸破壞的過程分為: :ff在整個試件范圍內(nèi)產(chǎn)生微開裂在整個試件范圍內(nèi)產(chǎn)生微開裂在破壞區(qū)開裂在破壞區(qū)開裂假設(shè)材料和損傷均為各向同性，損傷本構(gòu)關(guān)系假設(shè)材料和損傷均為各向同性，損傷本構(gòu)關(guān)系EfyEf0ufffuffCDD10利用實驗曲線，擬合得到損傷演化方程：利用實驗曲線，擬合得到損傷演化方程： 10CDD ffCDD2f0uf峰值應(yīng)變時的

37、損傷峰值應(yīng)變時的損傷進(jìn)而損傷本構(gòu)關(guān)系可寫為：進(jìn)而損傷本構(gòu)關(guān)系可寫為：fffCDECDE21011f0uf0fddff1uD參數(shù)確定參數(shù)確定利用條件：利用條件：01D fDC1101 fufDC 12EffffufDffDf0D二、二、 MazarsMazars模型模型將整個拉伸破壞過程分成兩段描述：將整個拉伸破壞過程分成兩段描述： 峰值應(yīng)力前，應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榫€性，只有初始損傷或無損傷；峰值應(yīng)力前，應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榫€性，只有初始損傷或無損傷； 峰值應(yīng)力后，材料損傷。峰值應(yīng)力后，材料損傷。0E本構(gòu)：本構(gòu)：TDE10f0f損傷演化方程：損傷演化方程：0TDfTTTfTBAADexp11fTTTTfTTBBAA

38、dDdDexp21損傷演化率：損傷演化率：uffuffDfu1余天慶建議將余天慶建議將 D D 的表達(dá)式改寫如下：的表達(dá)式改寫如下：fTTTfTBAADDexp1110單軸壓縮時的損傷模型單軸壓縮時的損傷模型1232221*2等效應(yīng)變：等效應(yīng)變：111000000ijMazars認(rèn)為：認(rèn)為：應(yīng)變張量：應(yīng)變張量：材料無損傷材料無損傷材料有損傷材料有損傷f*f*本構(gòu)方程：本構(gòu)方程：f*f*101EfCCCfBAAE11012exp21損傷演化方程：損傷演化方程：0CDfCCCfCBAAD*exp11f*令：令：f*f*三、三、分段線性模型（余天慶，分段線性模型（余天慶，19851985）把混凝土單

39、軸拉伸破壞的過程分為把混凝土單軸拉伸破壞的過程分為: :ff只有初始損傷，線彈性只有初始損傷，線彈性損傷擴(kuò)展，分段線性的折線損傷擴(kuò)展，分段線性的折線ffRF當(dāng)當(dāng) 時，本構(gòu)關(guān)系可表示為：時，本構(gòu)關(guān)系可表示為：fRMfFMfCCE21f對應(yīng)的損傷方程：對應(yīng)的損傷方程：一般情況下一般情況下 采用斷裂時的應(yīng)變，若采用斷裂時的應(yīng)變，若 ，由于當(dāng)，由于當(dāng) 時，時， ，由上式可得：，由上式可得：fRMfFMfCCDD21011R00DR1DRfFCCCC212111四、分段曲線模型（錢濟(jì)成，四、分段曲線模型（錢濟(jì)成，19891989）fBfCAD21122f0f11BfAD模型的提出基于這樣一個事實，即一般

40、的混凝土材料只有在加載初期，應(yīng)力模型的提出基于這樣一個事實，即一般的混凝土材料只有在加載初期，應(yīng)力應(yīng)變才呈現(xiàn)線性關(guān)系。應(yīng)變才呈現(xiàn)線性關(guān)系。該模型認(rèn)為無論峰值應(yīng)變前還是峰值應(yīng)變后，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均為曲線。該模型認(rèn)為無論峰值應(yīng)變前還是峰值應(yīng)變后，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均為曲線。損傷演化方程由實驗結(jié)果擬合出：損傷演化方程由實驗結(jié)果擬合出：ffffffffEBEAEEA121,22,CB0fddff為材料常數(shù)，可由邊界條件確定：為材料常數(shù)，可由邊界條件確定：為曲線參數(shù)為曲線參數(shù)可由邊界條件可由邊界條件 確定：確定：121,BAA時，無損傷時，無損傷時，損傷較小，裂紋擴(kuò)展時，損傷較小，裂紋擴(kuò)展時，損傷較大，有裂紋匯

41、合時，損傷較大，有裂紋匯合4 . 0f0 . 18 . 0ff以以 作為對象變量：作為對象變量：ff8 . 04 . 0fDf1DfufuDf00D分段曲線模型也可簡化為雙線性模型分段曲線模型也可簡化為雙線性模型由由 可得：可得：uffufufE1f0EufDE1ffuDfu1五、五、銀紋（銀紋（CrazeCraze）損傷模型）損傷模型p 銀紋是聚合物材料的一種典型損傷，是取向的高分子以銀紋是聚合物材料的一種典型損傷，是取向的高分子以纖維束的形式維系著銀紋的兩個銀紋面，與裂紋有本質(zhì)纖維束的形式維系著銀紋的兩個銀紋面，與裂紋有本質(zhì)的區(qū)別。的區(qū)別。p 特點：特點：p聚合物在玻璃態(tài)下拉伸時，產(chǎn)生銀紋

42、聚合物在玻璃態(tài)下拉伸時，產(chǎn)生銀紋p銀紋的出現(xiàn)標(biāo)志著材料已受損傷銀紋的出現(xiàn)標(biāo)志著材料已受損傷p銀紋可以發(fā)展到與試件尺寸相當(dāng)?shù)拈L度銀紋可以發(fā)展到與試件尺寸相當(dāng)?shù)拈L度p銀紋不會導(dǎo)致試件斷裂銀紋不會導(dǎo)致試件斷裂p類似金屬斷裂前產(chǎn)生的微孔類似金屬斷裂前產(chǎn)生的微孔o(hù)銀紋近似于一個狹長的楔形銀紋近似于一個狹長的楔形, , 可出現(xiàn)在高分子材料表面或可出現(xiàn)在高分子材料表面或內(nèi)部內(nèi)部, , 其厚度從其厚度從0.10.1到幾個微到幾個微米米 , , 長度為微米至毫米數(shù)量長度為微米至毫米數(shù)量級。級。o銀紋主要由微孔洞和在主應(yīng)銀紋主要由微孔洞和在主應(yīng)力方向上取向的纖維組成，力方向上取向的纖維組成，微孔洞的體積百分比約為

43、微孔洞的體積百分比約為50%-80%50%-80%、直徑約為幾到幾、直徑約為幾到幾十納米；纖維直徑約為幾到十納米；纖維直徑約為幾到幾十納米幾十納米, , 根據(jù)其排列方向根據(jù)其排列方向分為主纖維和橫系纖維。分為主纖維和橫系纖維。o銀紋出現(xiàn)后銀紋出現(xiàn)后, , 高分子材料仍高分子材料仍具有相當(dāng)高的強(qiáng)度具有相當(dāng)高的強(qiáng)度, , 甚至當(dāng)甚至當(dāng)銀紋已擴(kuò)展到整個截面時銀紋已擴(kuò)展到整個截面時, ,高高分子材料仍能承受載荷。分子材料仍能承受載荷。iiiAibp橫向收縮時，假設(shè)纖維無斷裂，設(shè)橫向收縮時，假設(shè)纖維無斷裂，設(shè) t 時刻的有效面積為時刻的有效面積為 AADnii11 tAi定義損傷變量：定義損傷變量：n

44、為銀紋區(qū)的纖維束數(shù)量為銀紋區(qū)的纖維束數(shù)量對于每一束纖維束來說，其截面積的演化有兩個原因：橫向收縮與對于每一束纖維束來說，其截面積的演化有兩個原因：橫向收縮與纖維斷裂纖維斷裂假設(shè)應(yīng)力和變形都是均勻的，則有：假設(shè)應(yīng)力和變形都是均勻的，則有：iikkiiiiEKbAbA213100體積壓縮彈性模量體積壓縮彈性模量iebbii0KeAAiiii310 KeAtAiiii3100lniiibb所以：所以： dtEtiii KeANNtAtAitkiiiiiii3100iiiNkdtdNp纖維斷裂時纖維斷裂時 設(shè)纖維為粘彈性，滿足設(shè)纖維為粘彈性，滿足Maxwell方程：方程：從而：從而：定義定義 為第為第

45、 i 束纖維束中的纖維數(shù)，則有：束纖維束中的纖維數(shù)，則有：iN toidkiieNtN0是應(yīng)力的函數(shù)是應(yīng)力的函數(shù)00AAi010Di tDktEDKDtD00011exp311設(shè)設(shè) ，有：，有：對于恒定應(yīng)力情況對于恒定應(yīng)力情況略去演化方程中略去演化方程中 與與 的的乘積項，且令乘積項，且令0t0t0DKi3kkkkn.21tDtf1 KdtkEAADinitiii31exp110第四節(jié)第四節(jié) 一維蠕變損傷理論一維蠕變損傷理論一、材料的蠕變一、材料的蠕變o 所謂所謂蠕變?nèi)渥兙褪蔷褪遣牧显陂L時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢材料在長時間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。由

46、于這種變形而最后導(dǎo)致材料。由于這種變形而最后導(dǎo)致材料的斷裂稱為蠕變斷裂。的斷裂稱為蠕變斷裂。o 嚴(yán)格地講，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，嚴(yán)格地講，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，在低溫時，蠕變在低溫時，蠕變效應(yīng)不明顯，可以不予考慮；當(dāng)效應(yīng)不明顯，可以不予考慮；當(dāng)約比溫度約比溫度大于大于0.30.3時，時，蠕變效應(yīng)比較顯著蠕變效應(yīng)比較顯著，此時必須考慮蠕變的影響，如碳鋼，此時必須考慮蠕變的影響，如碳鋼超過超過300300、合金鋼超過、合金鋼超過400400，就必須考慮蠕變效應(yīng)。，就必須考慮蠕變效應(yīng)。蠕變的一般規(guī)律蠕變的一般規(guī)律第第階段；階段；ABAB段，稱為段，稱為減速蠕變階段減速蠕變階段( (又稱過渡蠕變階

47、段又稱過渡蠕變階段) )。第第階段：階段：BCBC段，稱為段，稱為恒速蠕變階段恒速蠕變階段( (又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段又稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段）。）。第第階段：階段：cDcD段，稱為段，稱為加速蠕變階段加速蠕變階段( (又稱為失穩(wěn)蠕變階段又稱為失穩(wěn)蠕變階段) )。p當(dāng)減小應(yīng)力或降低溫度時，蠕變第當(dāng)減小應(yīng)力或降低溫度時，蠕變第階段延長，甚至不出現(xiàn)階段延長，甚至不出現(xiàn)第第階段。階段。p當(dāng)增加應(yīng)力或提高溫度時，蠕變第當(dāng)增加應(yīng)力或提高溫度時，蠕變第階段縮短，甚至消失，階段縮短，甚至消失，試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進(jìn)入第試樣經(jīng)過減速蠕變后很快進(jìn)入第階段而斷裂。階段而斷裂。高分子材料的蠕變：高分子材料的蠕變：第第階段階段：

48、ABAB段，為可逆形變階段，段，為可逆形變階段，是普通的彈性變形，即應(yīng)力和應(yīng)變成正是普通的彈性變形，即應(yīng)力和應(yīng)變成正比；比；第第階段階段：BCBC段，為推遲的彈性變形段，為推遲的彈性變形階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段；階段，也稱高彈性變形發(fā)展階段；第第階段階段：CDCD段，為不可逆變形階段，段，為不可逆變形階段，是以較小的恒定應(yīng)變速率產(chǎn)生變形，到是以較小的恒定應(yīng)變速率產(chǎn)生變形，到后期，會產(chǎn)生縮頸，發(fā)生蠕變斷裂。后期，會產(chǎn)生縮頸，發(fā)生蠕變斷裂。1 1、位錯滑移蠕變機(jī)理位錯滑移蠕變機(jī)理 材料的塑性形變主要是由于位錯的滑移引起的，在一定的材料的塑性形變主要是由于位錯的滑移引起的，在一定的載荷作用下，滑

49、移面上的位錯運(yùn)動到一定程度后，位錯運(yùn)動受載荷作用下，滑移面上的位錯運(yùn)動到一定程度后，位錯運(yùn)動受阻發(fā)生塞積，就不能繼續(xù)滑移，也就是只能產(chǎn)生一定的塑性形阻發(fā)生塞積，就不能繼續(xù)滑移，也就是只能產(chǎn)生一定的塑性形變。變。在蠕變第在蠕變第階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生變形硬化，使階段，由于蠕變變形逐漸產(chǎn)生變形硬化，使位錯位錯源開動的阻力和位錯滑動的阻力逐漸增大源開動的阻力和位錯滑動的阻力逐漸增大，致使蠕變速率不斷，致使蠕變速率不斷降低，因而形成了減速蠕變階段。降低，因而形成了減速蠕變階段。在蠕變的第在蠕變的第階段，由于形變硬化的不斷發(fā)展，促進(jìn)了動態(tài)階段，由于形變硬化的不斷發(fā)展，促進(jìn)了動態(tài)回復(fù)的發(fā)生，使材料不斷

50、軟化。回復(fù)的發(fā)生，使材料不斷軟化。當(dāng)形變硬化和回復(fù)軟化達(dá)到動當(dāng)形變硬化和回復(fù)軟化達(dá)到動態(tài)平衡時，蠕變速率遂為一常數(shù)態(tài)平衡時，蠕變速率遂為一常數(shù)，因此形成了恒速蠕變階段。，因此形成了恒速蠕變階段。二、蠕變變形機(jī)理二、蠕變變形機(jī)理2 2、擴(kuò)散蠕變機(jī)理擴(kuò)散蠕變機(jī)理 在較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱激活擴(kuò)散，在在較高溫度下，原子和空位可以發(fā)生熱激活擴(kuò)散，在不受外力的情況下，它們的擴(kuò)散是隨機(jī)的，在宏觀上沒有不受外力的情況下，它們的擴(kuò)散是隨機(jī)的，在宏觀上沒有表現(xiàn)。在外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場，原子表現(xiàn)。在外力作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力場，原子和空位在不同位置具有不同的勢能，它們會有高勢能位

51、向和空位在不同位置具有不同的勢能，它們會有高勢能位向低勢能位進(jìn)行定向擴(kuò)散。低勢能位進(jìn)行定向擴(kuò)散。 空位的擴(kuò)散引起原子反向擴(kuò)散，從而引起晶粒沿拉伸空位的擴(kuò)散引起原子反向擴(kuò)散，從而引起晶粒沿拉伸軸方向伸長，垂直與拉伸軸方向收縮，致使晶體產(chǎn)生蠕變。軸方向伸長，垂直與拉伸軸方向收縮，致使晶體產(chǎn)生蠕變。3 3、晶體滑動蠕變機(jī)理晶體滑動蠕變機(jī)理 晶界在外力的作用下，會發(fā)生相對滑動變形，在常溫下，晶界在外力的作用下，會發(fā)生相對滑動變形，在常溫下，可以忽略不計，但在高溫時，晶界的相對滑動可以引起明顯的可以忽略不計，但在高溫時，晶界的相對滑動可以引起明顯的塑性形變，產(chǎn)生蠕變。塑性形變，產(chǎn)生蠕變。4 4、粘彈性機(jī)

52、理粘彈性機(jī)理 高分子材料在恒定應(yīng)力的作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸高分子材料在恒定應(yīng)力的作用下，分子鏈由卷曲狀態(tài)逐漸伸展，發(fā)生蠕變變形。當(dāng)外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向伸展，發(fā)生蠕變變形。當(dāng)外力減小或去除后，體系自發(fā)地趨向熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展?fàn)顟B(tài)向卷曲狀態(tài)回復(fù)，表現(xiàn)為熵值增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展?fàn)顟B(tài)向卷曲狀態(tài)回復(fù)，表現(xiàn)為高分子材料的蠕變回復(fù)特性。高分子材料的蠕變回復(fù)特性。三、蠕變斷裂機(jī)理三、蠕變斷裂機(jī)理p在高溫長期服役過程中，由于蠕變裂紋相對均勻地在機(jī)件在高溫長期服役過程中，由于蠕變裂紋相對均勻地在機(jī)件內(nèi)部萌生和擴(kuò)展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起的蠕變抗力的降低以及內(nèi)部萌生和擴(kuò)展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起

53、的蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致發(fā)生斷裂環(huán)境損傷導(dǎo)致發(fā)生斷裂p另一種情況是高溫工程機(jī)件中，另一種情況是高溫工程機(jī)件中，初始裂紋初始裂紋擴(kuò)展引起的，擴(kuò)展引起的，1 1、蠕變極限：表示材料對高溫蠕變變形的抗力，有兩種表、蠕變極限：表示材料對高溫蠕變變形的抗力，有兩種表示方法：示方法：o 在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)在給定的溫度下，使試樣在蠕變第二階段產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力，蠕變速率的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限。定義為蠕變極限。o 在給定溫度和時間的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)在給定溫度和時間的條件下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的蠕變應(yīng)變的最大應(yīng)力，變的最大應(yīng)力，定義為蠕變極限。定義

54、為蠕變極限。2 2、持久強(qiáng)度：、持久強(qiáng)度：是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不是材料在一定的溫度下和規(guī)定的時間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力。o 材料的持久強(qiáng)度是實驗測定的，持久強(qiáng)度試驗時間通常材料的持久強(qiáng)度是實驗測定的，持久強(qiáng)度試驗時間通常比蠕變極限試驗要長得多，可達(dá)幾萬至幾十萬小時。比蠕變極限試驗要長得多，可達(dá)幾萬至幾十萬小時。四、蠕變性能指標(biāo)四、蠕變性能指標(biāo)五、蠕變損傷分析五、蠕變損傷分析-加載前的初始橫截面積加載前的初始橫截面積-加載后的外觀橫截面積加載后的外觀橫截面積-有效的承載面積有效的承載面積 -名義應(yīng)力名義應(yīng)力 -Cauchy-Cauchy應(yīng)力應(yīng)力 -有效

55、應(yīng)力有效應(yīng)力AAFFFF0AAA00AFAFAF蠕變滿足蠕變滿足NortonNorton定律：定律： nBdtd有損傷的情況下忽略彈性變形有損傷的情況下忽略彈性變形：無損傷無損傷nBdtd假設(shè)損傷演化方程也具有指數(shù)函數(shù)的形式假設(shè)損傷演化方程也具有指數(shù)函數(shù)的形式：DCCdtdD1設(shè)設(shè)名義應(yīng)力名義應(yīng)力保持不變，由于材料的體積不可壓縮條件保持不變，由于材料的體積不可壓縮條件eLLLL00ln有效應(yīng)力有效應(yīng)力可表示為：可表示為：采用對數(shù)應(yīng)變：采用對數(shù)應(yīng)變：ALLA00eDD110分三種情況討論金屬材料的蠕變斷裂：分三種情況討論金屬材料的蠕變斷裂：p無損傷、延性斷裂無損傷、延性斷裂p有損傷、脆性斷裂有損

56、傷、脆性斷裂p同時考慮損傷與變形同時考慮損傷與變形1、無損傷、延性斷裂、無損傷、延性斷裂0De0nRHnBt01積分上式，并利用初始條件積分上式，并利用初始條件 ，可得：，可得：nnneBBdtd0延性斷裂條件為延性斷裂條件為 ，因而延性蠕變斷裂時間：，因而延性蠕變斷裂時間： tnBntn01ln1 00 Hoff，1953年年缺點：缺點：忽略了扭轉(zhuǎn)破壞忽略了扭轉(zhuǎn)破壞無法解釋小變形破壞無法解釋小變形破壞2、有損傷、脆性斷裂、有損傷、脆性斷裂0D10011CtRK積分上式，并利用初始條件積分上式，并利用初始條件 ，可得：，可得：DCdtdD10脆性損傷斷裂條件為脆性損傷斷裂條件為 ，因而脆性蠕變

57、斷裂時間：，因而脆性蠕變斷裂時間： 110111tCtD 00 DKachanov，1958年年1fD 1111RKtttD由演化方程定義的損由演化方程定義的損傷是可以線性累積的傷是可以線性累積的 011Cktc積分上式，并利用初始條件積分上式，并利用初始條件 ，可得：，可得： kDCdtdD10此時的脆性蠕變斷裂時間：此時的脆性蠕變斷裂時間： 110111ktCktD 00 D 1111kctttD由于實際的蠕變損傷不可能線性累積，為此需改寫損傷演化方程。由于實際的蠕變損傷不可能線性累積，為此需改寫損傷演化方程。3、同時考慮損傷與變形、同時考慮損傷與變形AdALdLdnnAdAdD微分上式得

58、：微分上式得：DCCdtdD1上式為上式為 的控制方程，給定任意的加載歷史的控制方程，給定任意的加載歷史 ，即可由其得，即可由其得到有效應(yīng)力的變化過程。到有效應(yīng)力的變化過程。dtdCBdtdn00nAFnBdtd)exp(0D t0定義損傷：定義損傷：假想的有效承載面積假想的有效承載面積例：如圖示加載歷史例：如圖示加載歷史1110dxCxBxtn01段：由于加載的瞬間沒有蠕變應(yīng)變和損傷的演化，有：段：由于加載的瞬間沒有蠕變應(yīng)變和損傷的演化，有：000011ddt0Rt012t0Rt01212段：由于加載的瞬間沒有蠕變應(yīng)變和損傷的演化，有：段：由于加載的瞬間沒有蠕變應(yīng)變和損傷的演化，有：0CBd

59、tdn積分上式，并利用初始條件積分上式，并利用初始條件 ，得：，得：0111dxCxBxtn00由蠕變斷裂條件由蠕變斷裂條件 ，得蠕變斷裂時間：，得蠕變斷裂時間：幾種情況：幾種情況：沒有蠕變，則有：沒有蠕變，則有：01CtR：既有蠕變又有損傷，則需要由數(shù)值積分計算。：既有蠕變又有損傷，則需要由數(shù)值積分計算。應(yīng)力較小時，可忽略蠕變變形應(yīng)力較小時，可忽略蠕變變形應(yīng)力較大時，可忽略損傷應(yīng)力較大時，可忽略損傷中等應(yīng)力水平，需同時考慮中等應(yīng)力水平，需同時考慮0B0, 0CB：沒有損傷，則有：沒有損傷，則有：0CnRnBt010B0C00lnRtln六、蠕變損傷測量六、蠕變損傷測量DCnnDBB1*nB*

60、nD1*1一般依靠測量剛度的變化來測量蠕變損傷一般依靠測量剛度的變化來測量蠕變損傷一般情況下，三期蠕變時，材料才有損傷，此時的應(yīng)變包含兩部分：一般情況下，三期蠕變時，材料才有損傷，此時的應(yīng)變包含兩部分：此時，仍滿足此時，仍滿足NortonNorton律：律：同時，在二期蠕變中，對應(yīng)的應(yīng)變率穩(wěn)定在某一固定值同時，在二期蠕變中，對應(yīng)的應(yīng)變率穩(wěn)定在某一固定值 比較二式，得：比較二式，得：第五節(jié)第五節(jié) 一維疲勞損傷理論一維疲勞損傷理論 構(gòu)件在變動應(yīng)力和應(yīng)變的長期作用下，由于累積損傷而構(gòu)件在變動應(yīng)力和應(yīng)變的長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂的現(xiàn)象引起的斷裂的現(xiàn)象疲勞疲勞。o 疲勞屬低應(yīng)力循環(huán)延時斷裂，其斷裂應(yīng)力水平往