斷裂應力

斷裂應力，為纖維截面積上能承受的最大拉伸力，這是各種材料通用的表示材料相對強度的指標，一般用σ表示，標準單位為N/m²(帕，Pa），但常用N/mm²（兆帕，MPa）表示。是衡量纖維抵抗拉伸的能力(拉伸強度）的指標之一。

基本介紹

• 中文名： 斷裂應力
• 外文名：fracture strength
• 分類：機械強度

由於紡織纖維的截面形狀的不規則性，真正的截面面積很難求測，故實際套用中很少使用斷裂應力指標，但在理論研究時，常用其進行分析，亦稱為體積比強度（在相同體積下比較材料之間強度的差異）。計算式為：σ=P/A

式中：σ——斷裂應力或體積比強度，Pa；

P——斷裂強力，N；

A——截面面積，m²

斷裂應力場模擬分析與套用

採用岩石破壞過程分析系統(RFPA2D)，通過對斷裂應力場數值模擬分析，表明構造應力場條件下含斷裂岩體的 聲發射的能量最大值和累計值都遠大於重力場，說明構造應力場條件下岩體應力高於重力場。通過對北票礦區淺源地震的分析，認為現今構造應力場和斷裂對礦震等地質動力災害的發生起控制作用。一般說來，斷裂的活動性及應力場性質不同，地質動力災害發生的強度和頻度也不同。

力學參數

為進行模擬應力場的對比分析，在重力場條件下 ,設模型內無斷裂，外部載荷按金尼克方法計算，約為岩體自重應力γH的1～1/3。在構造應力場條件下，外部載荷選取，按實測地應力資料統計給出，為岩體自重應力γH的1.5～3倍。模型內含有斷裂，在斷裂處，介質是不均勻的，斷裂附近的應力大小和方向都將發生較大變化。對斷裂帶的力學參數，採用弱化斷裂內介質的方法處理斷裂帶。根據實驗結果，Ⅰ級斷裂帶的彈性模量和抗壓強度取正常岩體力學參數的1/10，其它級別斷裂取1/5。

斷裂幾何參數確定

從地質研究上看，中國大型斷裂的寬度可達40km(郯廬斷裂魯北段),而研究中的斷裂有時就是某一條斷層，寬度可以小到幾米。因此，僅用某一斷面露頭的寬度來表示某一斷裂的寬度是不合適的。斷裂常常表現為一系列規模不等的近於平行的斷 層或構造弱化帶。所以，斷裂越大、越深，它的寬度就越大。從理論上講，利用高精度儀器，布設小間距的地球物理探測網可以揭示斷裂帶的實際寬度，但對於礦區局部區域的斷裂(級別低，規模小),還沒有這方面的資料。為此 ,斷裂寬度根據上述推斷、斷裂級別和計算要求進行處理。確定Ⅰ級斷裂寬1000m，Ⅱ級斷裂寬500m，Ⅲ級斷裂寬200m，Ⅳ級斷裂寬100m，Ⅴ級斷裂寬50m。

試樣尺寸對鋼的細觀解理斷裂應力的影響

通過三維有限元計算並結合起裂源位置的測量 ,精確測定一種C-Mn鋼不同尺寸(W、B和a)和 寬度(B)的四點彎曲(4PB)缺口試樣的細觀解理斷裂應力。發現隨試樣尺寸和試樣寬度的增加 ,斷裂載荷明顯變化 ,但細觀 解理斷裂應力基本不變。不同尺寸和寬度的缺口試樣的解理斷裂主要由正應力判據控制。穩定的下限細觀解理斷裂應力值可以用較大尺寸的缺口試樣測得 ,可用於評價鋼的斷裂韌度和結構安全性。在缺口試樣中 ,解理斷裂的臨界事件是鐵素體晶粒尺寸的裂紋擴展進入基體 ,不隨試樣尺寸和寬度變化。細觀解理斷裂應力主要由臨界裂紋的長度決定。

實驗觀察和細觀臨界力學參數的測量

為了得到缺口前的應力—應變分布 ,W試樣和B試樣用ABAQUS軟體進行彈塑性三維(3D)有限元分析。由於對稱性 ,只分析試樣幾何的四分之一。對從彈性區到整體屈服載荷P_gy的整個載入過程的最大正應力σ_yy的分布進行計算。用掃描電境(SEM)對所有試樣的斷口進行仔細觀察 ,先在低倍下沿河流紋反向找到解理起裂源的巨觀位置 ,然後逐漸提高放大倍數沿解理河流紋反向追蹤找到起裂源的確切位置。測量起裂源距缺口根部的距離X_f和距試樣一側的距離Z。對雙缺口試樣的未斷缺口進行截剖觀察殘留裂紋 ,確定解理的臨界事件。用測量的PfP_gy(P_f 為斷裂載荷)和起裂源位置距離X_f和Z ,通過三維FEM計算的正應力σ_yy—X分布曲線 ,測量起裂源處的正應力σ_yyi作為細觀解理斷裂應力σ_f。

W1B1試樣缺口前的應力分布

W1試樣在寬度B的中心平面缺口前的最大正應力σ_yy σ_y的分布 ,其中P是外載入荷 ,P_gy是整體屈服載荷 ,X是距缺口根部的距離。對於較大尺寸的W2和W3試樣 ,計算結果與W1類似 ,只是峰值正應力較高。W1試樣缺口前的峰值應力(σ_yy σ_y)_max沿寬度B的分布。可以看出在整個載入過程中 ,(σ_yy σ_y)_max 從試樣兩個自由表面向內約3mm ,隨B向中心距離的增加而增加 ,然後在試樣中部(σ_yy σ_y)_max達到最大值並保持不變。(σ_yy σ_y)_max 隨外載入荷P P_gy的增加而增加。不同寬度(B2和B3)試樣缺口前應力—應變分布的有限元計算結果類似於的 W1(B1)試樣的結果。

在平均斷裂載荷時試樣中部面的應力的分布

不同試樣在平均斷裂載荷時試樣中部 面的實際應力σ_yy的分布(有限元計算),最小尺寸的W1(B1)試樣的σ_yy略高於其他試樣(W2、W3、B2、B3),而 其他試樣的σ_yy基本相同。小尺寸的W1(B1)試樣的σ_f 略高於其他試樣的原因可用缺口試樣解理斷裂的“活性區”模型進行解釋。缺口試樣 的解理斷裂起裂於缺口前滿足雙判據(使裂紋形核的塑性應變判據ε_p≥ε_pc和使裂紋擴展的臨界正應力判據σ_yy≥σ_f)的一個活性區內。對於最小尺寸的W1(B1)試樣當缺口前的峰值σ_yy達到其他試樣平均斷裂載荷時的平均σ_yy值時 ,活性區的尺寸較小 ,難以找到引發解理的最薄弱組元。為了產生斷裂 ,載荷P P_gy需要進一步增加 ,以使活性區的尺寸增加 ,在這種情況下 ,W1(B1)試樣缺口前的σ_yy應力要高於其他試樣,在活性區能夠採集到最薄弱的組元之前 ,具有較高強度的次薄弱組元也許引發解理 ,從而使測定的σ_f值略高。但對於較大尺寸的試樣(W2、W3、B2和B3)其活性區尺寸大 ,總能找到解理的最薄弱組元 ,測定的σ_f值基本不變 ,說明解理斷裂主要由正應力判據σ_yy≥σ_f所控制。穩定的σ_f下限值可以用較大尺寸的缺口試樣測得。它可能用來評價鋼的斷裂韌度和結構的安全性。