机械加工中的断裂设计概论

断裂力学广义地说是裂纹理论。它是把构件看成是连续和间断的统一体,研究材料抵抗断裂、控制裂纹扩展及防止结构断裂破坏的一门新发展起来的强度科学。 本文则在断裂力学理论基础上,研究了新的裂纹应用技术。也就是设法利用裂纹和裂纹的失稳扩展,以快速、低能耗实现各种材料连续界面的规则分离。这就需要主动设计制造敏感的缺口,设计制造对脆断敏感的应力状态,设计并利用缺口的锐度效应、疲劳效应和设计相应的预荷方式——所有这些统称为“断裂设计”。 本文以机械加工中的断裂设计研究为起点,但其应用前景是很广的;应该说,断裂设计适用于各种固体连续界面分离的加工。     

金属材料断裂与应力状态参数的关系

罗德参数、软性系数和应力三维度是研究金属材料变形、破坏时常用的应力状态参数,分析从三向压缩到三向拉伸不同应力状态下各参数值的变化,得出:应力三维度值从小向大有规律地变化,罗德参数和软性系数则不能分析裂纹体、无裂纹体金属材料断裂破坏的试验结果;同时认识到构件中,体积变形较大、形状变形较小处是材料发生脆断、准脆断的断裂萌生点,此危险点正是应力三维度有较大值处。     

应力法剪切下料的剪刃形式和适宜参数问题

应力法剪切下料是精密下料方法同裂纹技术的应力断料原理相结合的产物。通过建立夹紧剪切过程中被剪棒料的应力状态方程,分析了被剪棒料同剪刃及夹紧块之间的挤压应力分布,通过挤压应力的分布形式探讨了合理的剪刃形状,进而通过实验研究确定了适宜的剪刃几何参数,为应力法剪切的应用提供了理论依据和适宜剪刃。     

应力比对脆性材料断裂影响及应变断裂准则验证

应用材料破坏分析软件MFPA2D(material failure process analysis),模拟了平面应力下双向应力比不断变化条件下脆性材料的不同破坏失稳过程,并以玻璃为例,重点研究了其在复杂应力状态下不同双向应力比对脆性材料裂纹扩展和断裂的影响. 研究结果表明,裂纹失稳扩展时的应力强度因子值随着双向应力比的升高而升高. 该结果证明双向应力确实对脆性材料的断裂韧性有影响. 理论分析得出的应变失效准则与数值模拟研究结果及试验结果的比较研究表明,应变失效准则作为脆性材料在双向应力下的断裂准则是可行的.     

拉压异性材料的脆断强度条件

常用的脆断强度条件都仅适合某些材料和应力状态,而缺乏普遍的适用性。通过观察实验现象和分析破坏原因,认为平均应力对脆断影响显著。提出了考虑平均应力和最大剪应力共同影响、考虑了拉压异性的脆断条件。其物理意义明确,理论推导和公式比莫尔准则简单,与实验结果吻合的好,特别是双向拉伸应力状态下,比莫尔准则与实验结果吻合的好。适合材料力学教学和压力容器设计。     

棒料轴对称非稳态多维温度场的研究

针对低应力精密下料需要预制棒料V型槽尖端微裂纹进而减少下料时间的问题,首先分析了热应力预制V型槽尖端裂纹的基本原理。利用ANSYS软件对热力学模型进行了多次数值模拟,进而建立了适合于不同材质的棒料轴对称非稳态温度场的方程,这对进一步研究此类课题提供了理论参考。     

剪切下料问题的几何分析

本文针对剪切下料问题中存在的不足,从裂纹扩展的角度出发,以两个剪刃处产生的裂纹在扩展后必须相遇及保证剪切质量为前提,对剪切下料过程中影响剪切质量的径向间隙、轴向间隙、棒料直径及剪刃和棒料的接触长度进行了综合的几何分析,并以此为基础探讨了适宜的剪切下料方法。本文为径向夹紧剪切下料提供了必要的理论依据,实验证实了理论分析的正确性。     

多轴应力状态下脆性材料统计断裂判据的研究

应用统计断裂理论,用分币裂纹模型模拟材料中的缺陷,通过用裂纹面的法向矢量反映材料中裂纹面的随机取向,用等效应力代替实际应力状态的破坏效应,提出了多轴应力状态下脆性材料统计断裂的判据。判据反映了结构的破坏强度与其所受的应力状态、破坏概率及材料的性能参数之间的联系关系。通过判据可得出对当前研究成果的一些合理解释,最后用判据的预测与实验数据进行比较,结果较吻合。     

应力断料试验研究与应力断料机(具)的研制

本文是“断裂设计”原理的应用研究。为使低应力脆性断裂之“害”转化为“利”,在机械加工的截断下料工序中,主动设计裂纹体,使之在最敏感的应力水平下发生快速断裂。这一设想的试验研究已获得满意的结果,定名为“应力断料方法”。 试验研究表明:应力断料效率高,能耗小,断口规则平整,没有切口宽度,大大节省了原材料和工具消耗。应力断料方法可以通过高效专机来实现,也可自制简易通用机、利用普通车床改装专机或采用廉价辅具实现,很容易大面积推广应用。预计在全国推广后,每年可节约数千万元。     

单轴加载三维裂纹破裂演化规律试验研究

为研究三维裂纹破裂声发射特征及传播规律,以含有三维裂纹组的脆性类岩石材料为研究对象,结合声发射实时监测及CT扫描重构技术,分析讨论了单轴加载条件下三维裂纹组破裂声发射特征及空间传播规律.实验结果表明:试件表面岩桥破裂失稳模式分为反翼裂纹-翼裂纹破裂模式、反翼裂纹-剪切裂纹破裂模式、翼状拉伸裂纹平行传播模式;裂纹起裂、岩桥破裂失稳均伴随着声发射信号峰值及应力应变曲线波动,翼状拉伸裂纹起裂释放能量随时间增加而增大;试件内部以拉伸裂纹传播为主,伴随剪切裂纹、反翼裂纹、次生裂纹,试件以翼状拉伸裂纹传播导致的轴向拉伸破坏为主;试件内部剪切滑移痕迹随岩桥角度变化而增加,剪切裂纹及次生裂纹数量增多,破裂形式趋于复杂;以预制裂纹中心线为对称轴,翼状拉伸裂纹分别向两端传播形成反对称结构,起裂角度随裂纹深度增加而逐渐增大;随着岩桥角度变化,岩桥破裂模式分为反翼裂纹-翼裂纹破裂完全破裂模式、反翼裂纹-剪切裂纹破裂部分破裂模式、翼状拉伸裂纹平行传播模式.     

热应力对金属棒料内部损伤的机理研究

针对棒料热应力变频振动的下料方法,建立了带V型槽棒料在分段强制冷却过程中的热力耦合模型,利用ANSYS有限元软件,获得了棒料在强制循环水冷却过程中内部应力场的分布.数值模拟结果表明,棒料内部最大拉应力点位于V型槽尖端正下方0.34 mm附近,该处的轴向拉应力已超过材料的强度极限,在V型槽所在棒料断面上靠近尖端点处产生一条环形损伤带,在水流速度下,该损伤带随着绝热边界宽度的增加先增大后减小,存在一个大约2 mm宽的最佳绝热边界,可使损伤的程度达到最大.在等绝热边界宽度下,损伤带随着水流速度的增加逐渐地增大,当水流速度大于5 m/s时,对棒料的内部损伤较小.实验结果表明,有热应力作用比无热应力作用的棒料下料时间减少了15%以上,从而验证了热应力损伤对棒料下料作用的有效性.     

灰铸铁拉伸与扭转破坏实验的强度条件分析

针对常用强度理论脆性材料在复杂应力状态下的生断裂破坏,理论计算与试验结果误差较大这一问题,对铸铁材料的拉伸破坏及扭转破坏实验的结果进行了分析。研究了复杂应力状态下单元体内各物理量对材料生断裂的影响,修正了第一、第二强度理论,给出了一个铸铁性断裂的强度条件。新的强度条件能较好解释铸铁材料的拉伸、扭转破坏实验结果。     

金属脆断应力的Hall-Petch关系

本文把多晶体材料中的滑移带和形变孪晶带当做片状夹架,采用位错连续分布方法,导出了脆性开裂的一些重要结果。根据这些结果即可得到脆断应力的Hall—Petch关系.我们进一步讨论了裂纹位错分布的一些特征,以及应力强度因子中F的变化行为,并做出了F_(mi)—αf曲线.将结果应用于计算孪晶和滑移脆断的Hall—Petch关系,理论值与实验结果比较满意地符合。     

韧性断裂机理的理论探讨与基于铝合金薄板韧性断裂准则的修正

对韧性材料的断裂机理进行理论研究.当裂纹尖端附近两个相邻的材料微单元体的破坏面共面或共线时,裂纹可以通过破坏面扩展并传递到相邻的单元;当两个单元体的破坏面与两单元体中心线成一定角度时,两单元体之间将产生相对滑动或旋转,使得两破坏面之间重新共面或共线,从而使得裂纹可以扩展,形成一个连续的裂纹开裂面.基于铝合金6063薄板修正韧性材料的断裂准则,并用简单的平面应力状态下的平板拉伸试验和平面应变状态下的缺口拉伸试验,结合有限元ABAQUS计算求得韧性断裂准则中的材料常数.     

单轴压缩条件下预制裂隙类岩石材料实验研究

为研究裂隙类岩石材料在单轴压缩条件下的力学性质及裂纹扩展规律,通过在试样中预埋铁片的方法,制备出含不同裂纹条数和裂纹倾角的裂隙类岩石材料;采用RYL-600剪切流变仪对试样进行以负荷控制方式进行单轴加载,并使用数码相机记录试样加载过程中裂纹的起裂、扩展和贯通过程.着重对60°×18条裂隙类岩石材料的实验结果进行详细分析,观察其轴向应力-轴向位移曲线,曲线呈现出3次明显的应力跌落阶段,结合试样在试验过程中的录像,将裂纹的扩展分为3个阶段.并且,通过FLAC3D数值模拟软件对60°×18条的试样进行数值模拟研究,获得了数值模拟实验加载过程中的轴向应力-轴向位移曲线和模型破坏切片图,分析其破坏方式和破坏模式,并与物理实验对比,两者吻合较好.     

峰后脆性对非均质岩石试样破坏及全部变形的影响

在平面应变压缩条件下,采用FLAC模拟峰后脆性对含初始随机材料缺陷的岩样的破坏过程、前兆、声发射及全部变形特征的影响.利用若干FISH函数预置初始随机缺陷,计算全部变形特征,并统计每10个时间步内的破坏单元数.密实的岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为.缺陷在破坏之后经历理想塑性行为.不同脆性岩石的峰后的应力-轴向应变曲线、应力-侧向应变曲线、侧向应变-轴向应变曲线、体积应变-轴向应变曲线及由侧向应变及轴向应变计算得到的泊松比-轴向应变曲线于应力峰值之前发生分离.由于缺陷的依次破坏,在初始加载阶段之后,计算得到的泊松比随着轴向应变的增加而直线上升,这使侧向应变增加的速度超过轴向应变增加的速度.随着峰后脆性的降低,岩样失稳破坏的前兆变得明显,破坏变得不突然.脆性越强的材料,体积膨胀之后发生应变软化越早;剪切应变集中的位置越少;在硬化阶段及软化阶段,声发射持续的时间越短.     

薄壁轴向微沟槽铜管高速旋压成形的数值模拟

利用有限元分析软件MSC.Marc建立了简化的1/4旋转对称模型,对薄壁轴向微沟槽铜管的钢球高速旋压成形过程进行模拟,并对成形特征和等效应力应变、残余应力的分布规律进行分析.结果表明:成形过程中,金属回弹效应会导致齿根部出现凹口缺陷;等效应力应变及三向应力应变沿轴向呈层状分布,沟槽管外壁面应力超过材料应力极限导致铜屑产生,且易出现断管现象;沟槽底部的等效应力应变和残余应力大于齿顶与外壁面的应力;过大的残余应力容易造成材料脆化,进而产生裂纹等缺陷.     

Q345钢对接接头低周疲劳性能试验研究

采用等幅轴向低周疲劳试验,通过疲劳寿命、循环应力-应变响应特征及应力-应变滞回曲线等指标研究了Q345钢对接接头的疲劳性能,观察了疲劳断口宏观特征,并在试验研究和有限元分析的基础上,建立了该焊缝材料的疲劳寿命预测公式.结果表明:焊缝材料初始阶段表现为明显循环硬化现象,后期为轻微循环软化,总体上提高了材料的强度及疲劳性能;随着轴向位移的增加,应力幅增大,循环硬化率线性减小;滞回曲线光滑、饱满,材料耗能能力稳定;疲劳断口可明显划分为裂纹源区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区,为典型疲劳破坏断口.得到的疲劳寿命预测公式对实际工程中Q345钢结构的疲劳分析和寿命预测具有重要意义.     

超声振动辅助磨削脆性材料去除机理

脆性材料塑性去除有利于提高加工表面质量。采用切向、轴向和径向超声振动辅助磨削加工方法,对烧结钕铁硼NdFeB永磁材料去除机理进行了试验研究,结合脆性材料去除脆-塑性转变临界条件,分析了不同超声振动辅助方式对材料去除机理的影响。分析得出以下结论:轴向超声振动辅助磨削加工过程中,材料主要以塑性剪切的方式去除;切向超声振动辅助磨削加工过程中,材料主要以塑性方式去除,同时伴有少量沿晶断裂;径向超声振动辅助磨削加工过程中,工件材料主要以断裂破碎的方式去除,而且加工表面残留裂纹。因而,轴向超声振动辅助磨削最有利于实现脆性材料塑性去除。     

模拟混凝土破坏过程的微裂纹模型及其应用

提出了一种适用于定量模拟混凝土材料的微细观裂纹数值模型.该模型可用于模拟和分析材料破坏的全过程,包括砂浆/粗骨料界面上初始微裂纹的扩展、微裂纹的聚合、宏观主裂纹的形成与扩展及最终破裂的全过程.作为分析实例,对4组不同配比的16种混凝土拉伸试样进行了破坏过程仿真分析.结果表明,利用该数值模型可揭示混凝土常见的拉伸破坏模式与机理;骨料体积增加时,混凝土的延展性有增大趋势,强度则呈现减小趋势,这与已有文献中混凝土拉伸实验结果相符.该数值模型直接从失效机理出发,建立了定量描述含微细观裂纹的准脆性材料破坏过程的新方法,可望为该类材料/结构的失效控制或安全设计提供参考.