损伤力学ppt课件第二章-一维损伤理论(2)-PPT文档资料.ppt

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1、第二章一维损伤理论第四节一维蠕变损伤理论一、材料的蠕变所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。严格地讲，蠕变可以发生在任何温度，在低温时，蠕变效应不明显，可以不予考虑；当约比温度大于0.3时，蠕变效应比较显著，此时必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过300℃、合金钢超过400℃，就必须考虑蠕变效应。蠕变的一般规律第Ⅰ阶段；AB段，称为减速蠕变阶段(又称过渡蠕变阶段)。第Ⅱ阶段：BC段，称为恒速蠕变阶段(又称稳态蠕变阶段）。第Ⅲ阶

2、段：cD段，称为加速蠕变阶段(又称为失稳蠕变阶段)。当减小应力或降低温度时，蠕变第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段。当增加应力或提高温度时，蠕变第Ⅱ阶段缩短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第Ⅲ阶段而断裂。高分子材料的蠕变：第Ⅰ阶段：AB段，为可逆形变阶段，是普通的弹性变形，即应力和应变成正比；第Ⅱ阶段：BC段，为推迟的弹性变形阶段，也称高弹性变形发展阶段；第Ⅲ阶段：CD段，为不可逆变形阶段，是以较小的恒定应变速率产生变形，到后期，会产生缩颈，发生蠕变断裂。1、位错滑移蠕变机理材料的塑性形变主要

3、是由于位错的滑移引起的，在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能继续滑移，也就是只能产生一定的塑性形变。在蠕变第Ⅰ阶段，由于蠕变变形逐渐产生变形硬化，使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，因而形成了减速蠕变阶段。在蠕变的第Ⅱ阶段，由于形变硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，使材料不断软化。当形变硬化和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段。二、蠕变变形机理2、扩散蠕变机理在较高温度下，原子和空位可以发

4、生热激活扩散，在不受外力的情况下，它们的扩散是随机的，在宏观上没有表现。在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同位置具有不同的势能，它们会有高势能位向低势能位进行定向扩散。空位的扩散引起原子反向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直与拉伸轴方向收缩，致使晶体产生蠕变。3、晶体滑动蠕变机理晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形，在常温下，可以忽略不计，但在高温时，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性形变，产生蠕变。4、粘弹性机理高分子材料在恒定应力的作用下，分子链由卷曲状态逐渐伸展，发

5、生蠕变变形。当外力减小或去除后，体系自发地趋向熵值增大的状态，分子链由伸展状态向卷曲状态回复，表现为高分子材料的蠕变回复特性。三、蠕变断裂机理在高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在机件内部萌生和扩展，显微结构变化引起的蠕变抗力的降低以及环境损伤导致发生断裂另一种情况是高温工程机件中，初始裂纹扩展引起的，1、蠕变极限：表示材料对高温蠕变变形的抗力，有两种表示方法：在给定的温度下，使试样在蠕变第二阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力，定义为蠕变极限。在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变

6、应变的最大应力，定义为蠕变极限。2、持久强度：是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力。材料的持久强度是实验测定的，持久强度试验时间通常比蠕变极限试验要长得多，可达几万至几十万小时。四、蠕变性能指标五、蠕变损伤分析--加载前的初始横截面积--加载后的外观横截面积--有效的承载面积--名义应力--Cauchy应力--有效应力FFFF蠕变满足Norton定律：有损伤的情况下忽略弹性变形：无损伤假设损伤演化方程也具有指数函数的形式：设名义应力保持不变，由于材料的体积不可压缩条件有效应

7、力可表示为：采用对数应变：分三种情况讨论金属材料的蠕变断裂：无损伤、延性断裂有损伤、脆性断裂同时考虑损伤与变形1、无损伤、延性断裂积分上式，并利用初始条件，可得：延性断裂条件为，因而延性蠕变断裂时间：Hoff，1953年缺点：忽略了扭转破坏无法解释小变形破坏2、有损伤、脆性断裂积分上式，并利用初始条件，可得：脆性损伤断裂条件为，因而脆性蠕变断裂时间：Kachanov，1958年由演化方程定义的损伤是可以线性累积的积分上式，并利用初始条件，可得：此时的脆性蠕变断裂时间：由于实际的蠕变损伤不可能线性累

8、积，为此需改写损伤演化方程。3、同时考虑损伤与变形微分上式得：上式为的控制方程，给定任意的加载历史，即可由其得到有效应力的变化过程。定义损伤：假想的有效承载面积例：如图示加载历史0~1段：由于加载的瞬间没有蠕变应变和损伤的演化，有：12121~2段：由于加载的瞬间没有蠕变应变和损伤的演化，有：积分上式，并利用初始条件，得：由蠕变断裂条件，得蠕变断裂时间：几种情况：：没有蠕变，则有：：既有蠕变又有损伤，则需要由数值积分计算。应力较小时，可忽略蠕变变形应力较大时，可忽略损伤中等应力水平