亞臨界裂紋擴展

亞臨界裂紋擴展是指含裂紋的構件當載荷超過某一臨界載荷而使裂紋起裂、裂紋尺t由初始值直至發生失穩斷裂前的穩定擴展過程。裂紋的亞臨界擴展過程是隨載荷的增加而擴展的，只要載荷不再增加則裂紋停止擴展。韌性優良的材料，亞臨界擴展過程較長。而韌性較差的材料，亞臨界擴展過程很短，裂紋一旦發生起裂之後，載荷稍有增加即會發生失穩擴展，導致構件的快速斷裂。因此裂紋的亞臨界擴展過程也被稱為“彈塑性撕裂”過程。

基本介紹

• 中文名：亞臨界裂紋擴展
• 外文名：Subcritical crack growth
• 來源：斷裂力學
• 相關概念：裂紋、斷裂

斷裂與塑性形變的比較

塑性形變

塑性形變是位錯(微觀缺陷)運動的結果，說明實際晶體在遠低於理想晶體的屈服強度的應力下，發生塑性形變。

斷裂力學

斷裂力學說明材料的斷裂是裂紋(巨觀缺陷)擴展的結果。實際晶體在遠低於理論強度的應力下，發生斷裂。

兩者有相似之處、差異、和相關點。

相同點

1.裂紋和位錯的前端都將晶體劃分為已斷裂(滑移)和未發生變化的兩部分。

2.裂紋擴展和位錯運動都使原子鍵連續破壞。

不同點

裂紋擴展使原子鍵永久性的撕開，位錯運動之後，斷開的原子鍵隨即重新癒合。

裂紋成核

結構不連續區域都會使裂紋成核。

結構不連續區域的特點：

1.材料中任何結構不連續性都會使局部能量處於高能量狀態，即應力狀態；

2.外力作用下，能量高的不連續區域首先發生運動，在能量較低的不連續區域使其能量降低；

3.結構不連續區域在可能情況下總是降低其能量；

4.不連續區域在運動過程中，遇到勢壘，會發生塞積，引起高度的應力集中，此應力又會激活其他結構不連續區域。

亞臨界裂紋擴展特點

亞臨界裂紋擴展因素

在受到低於臨界應力的作用狀態下，脆性材料的裂紋擴展取決於溫度、應力和環境介質。

亞臨界裂紋擴展速率與應力強度因子的關係，其典型關係式：

特點

1.幾乎所有材料都有一個不發生亞臨界裂紋擴展的應力強度因子低限值

裂紋擴展速率曲線

2.超過低限值，V與 總是呈正比，其中，n是與機理相關的常數。

3.恆速裂紋擴展區。

4.快速裂紋擴展區。

亞臨界裂紋擴展機理

1)環境介質的作用(應力腐蝕)引起裂紋的擴展

例子1：玻璃在含有OH-介質中的亞臨界裂紋擴展機理：

OH-對裂紋的強化作用有：

1.吸附導致鍵強的下降;

2.應力加速了裂紋尖端玻璃的溶解;

3.離子互換導致裂紋尖端張應力的增長。

例字2：在含水氣不同的N2氣氛中，玻璃Na20-CaO-Si02的亞臨界裂紋擴展速率不同。

2）塑性效應引起裂紋的擴展

在高溫、無害介質環境中，無機材料的亞臨界裂紋擴展，是裂紋尖端的塑性效應的結果。晶體中的位錯在大於臨界剪應力作用下，一些位錯源開始滑移並發射位錯，在其露出晶面之前，發生交滑移，交滑移源發出的位錯被送回到裂紋尖端，位錯應力場的作用使裂紋尖端的應力提高，結果在K1<Ko的條件下發生了亞臨界裂紋擴展。裂紋尖端附近切應變的激活，位錯從晶界處的源出發，在滑移面取向合適的情況下，位錯在晶粒內部運動直到在另一側晶界處發生塞積，引起裂紋成核。(依據:多晶體中，晶界既可是位錯的發源地，也可是位錯前進的障礙)。

3）擴散過程

裂紋尖端區域點缺陷擴散對裂紋的擴展起著一定的作用。

1.在無外加應力作用條件下，材料內部的自擴散隨著溫度的提高而加速，導致裂紋的癒合和材料的燒結和緻密化。

2.當有外加張應力作用時，裂紋癒合速度很快消失。隨著應力的提高，空位從裂紋尖端擴散離去的速率下降，在較大的應力作用下，出現裂紋擴展。

4）熱激活鍵撕裂作用引起裂紋擴展

裂紋尖端晶格點陣的非連續性，即有高能量的點陣，藉助於熱激活作用，裂紋尖端有可能產生移動。

臨界裂紋擴展導致斷裂的過程

1. 當裂紋由成核生長和亞臨界擴展發展到臨界長度，此時K1的數值也隨著裂紋的擴展增長到K1c的數值。至此裂紋的擴展從穩態轉入動態，出現快速斷裂。
   
2. 裂紋尖端屈服區附近足夠大的內應力達到了足以撕開原子間鍵，導致固體沿著原子面發生解離。
   

裂紋快速斷裂具備的能量條件：

裂紋前端的彈性應變能釋放率等於或大於裂紋擴展單位長度所需的表面自由能增量。

原子鍵斷裂模型