各向同性双材料界面裂纹扩展研究现状.pdf

第 2 7卷第 7期 2 O 0 6年 7月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e V0 1 ． 2 7N口 ． 7 J u l 。200 6 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 6 0 7 0 0 5 4 - 0 3 各向同性双材料界面裂纹扩展研究现状 * ， 杨俊茹 ．钱抗抗 。李兆前。 ．黄传真 1 ． 山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 1 0 ；2 ． 山东大学 机械工程学院，济南 2 5 0 0 6 1 摘 要 各 向同性双材料 以其优越的综合性能在工程上的应用 日益广泛。在对各向同性双材 料界面裂纹扩展研 究现状进行综述的基础上 提 出了目前研究存在的 问题 以及今后 的研 究趋 势。 对双材料结构的合理使 用具有重要指导意义。 关键 词 各 向同性双 材料 ；界 面裂纹 ；扩展 ‘ 中图号 T G 1 4 文献标识码 A S t a t u s i n Qu o o f I n t e r f a c e C r a c k P r o p a g a t i o n o f I s o t r o p i c Bi．．． m a t e r i a 1 ． Y A N G J u nr i ll 。 Q I A N K a n gk a n g ． L I Z h a o q l a n 2 ．H U A N G C h u a nz h e n 2 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l E n g i n e e r i n g S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o g y ，Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0。C h i n ai 2 、 M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g C o R e s e ，S h a n d o n g U n l v e rs i W。 J i n an 2 5 0 0 6 1 ．C h i n a Ab s t r a c t I s o t r o p i c b i ma t e r i a l s w i t h h i g h c o mp r e h e t s i v e p r o p e r t i e s a r e w i d e l y u s e d i n e n g i n e e ri n g fi e l d s ． B a s e d o n s t a t u s i n q u o o f t h e i n t e rf a c e c r a c k p r o p a g a t i o n o f t h e i s o t mp i c b i ma t e ri a l ，t h e e x i t i n g p r o b l e m s a n d t h e t e n d e n c y o f t h e t s e a r e h a l e p r o p o s e d ．Has g r e a t g u i d anc e s i g n i fi c a n c e o n r e a s o n a b l e u s e s o f b i ma - t e ria l s t r u c t u r e s． Ke y w o r d s i s o t r o p i c b i m a t e ri a l ；i n t e rf a c e c r a c k ；p r o p a g a t i o n O 引言 由2 种不同材料性质的介质沿界面组合成一体 的材料称为“ 双材料” ， 2种 各向同性材料组合为一 体则为各向同性双材 料。各 向同性双材料 以其优越 的综合性能在工程上 的应用 日益广泛。由这种双材 料制成的结构承载时 ， 一方面是由于界面两侧材料 性质失配， 使连接界面成为双材料结构 中的应力应 变集中源 ， 另一方面 由于材料的制备过程中界面上 会不同程度地留有连接 的工艺性缺陷 ， 从而使其 界 面成为结构断裂的裂纹源。在外载荷作用下 ， 界 面 裂纹就会发生扩展 ， 其扩展行为对双材料结构的实 用性能和寿命具有重要影响。许多学者对双材料界 面裂纹的扩展理论、 扩展模型以及影 响其扩展的因 素进行 了大量研究 ， 取得了一定成果 。 1 双材料界面裂纹扩展理论 对于各 向同性弹性双材料界面， 控制其界面裂 纹场的是无量纲的 D u n d u r s 参数[ 2 G l k 1 一G 2 I 1 口 百 G k 2 1 一G 一1 ， ． 、 ⋯ 一 个与之相关的参数 e n ， s是振荡 指数。其 中， G是剪切模 量， k是 与泊松 比 v有 关 *山东科技大学科学发展基金资助项 目 o 5 g o l 2 5 4 的无量纲数 ， 对于平面应力 k 3一v ， 1v ， 对 于平面应变 k34 u ， 下标 1 、 2分别表示 2种 材 料。由于两侧材料性能失配 ， a和 一般不为零 ， 使 得裂尖应力场和位 移场产生振荡。这样 ， 在裂纹 前 方的界面上 ， 既作用有正应力也作用有剪应力 ， 因而 在裂纹面上既有张开位移也有滑开位移。这样 的界 面断裂问题 ， 既包含有 I型 断裂 ， 也 有 Ⅱ型断裂 ， 而 且 I型和 Ⅱ型断裂通常耦合在一起 ， 属于复合断裂。 龚俊等提出了基于统一强度理论的复合型裂纹 等效应力断裂理论 。该准则通过借鉴强度理论对复 杂应力状态的处理方法 ， 将 等效应力作为度量复合 型断裂裂纹开裂的基本物理量。其基本假设 1 裂 纹沿着等效应力最小的方向扩展 ； 2 等效应力 打到 临界值时裂纹开始扩展。 ‘ 根据选取等效应力的公式 不同 ， 等效应力准则有不同的形式 ， 当等效应力的计 算采用总应变能理论时。 等效应力准则等价于应变 能密度准则 ； 当等效应力采用 ， 时 ， 等效应力准则 可近似逼近最大周向应力理论。可用于解决工程上 普遍存在的复合型裂纹的断裂问题 。在上述复合型 断裂理论的基础上 ， 针对 特定条件下的双材料界面 裂纹建立了具体 的扩展模型。 2 基于复合型断裂理论的界面裂纹扩展模型 H e M Y等首先基 于能量释放率理论 ，研究 了 双材料中垂直并停留在界面的裂纹从材料 1向材料 2扩展时的偏转问题。并认为当裂纹穿过界面时释 维普资讯 第 2 7卷第 7期 各向同性双材料界面裂纹扩展研究现状杨俊茹 ， 等 V o 1 ． 2 7 N o ． 7 放的能量 G 。 小于材料 2的断裂能 G ； ，裂纹沿着界 面偏转释放的能量 G 大于界面断裂能 G 时，裂纹 将沿着界面偏转 ，即该界面裂纹的偏转扩展模型为 ， ’ C ， ’ 斋 E 。 、 、 ／ a d 2 2 式中 G ， G 界面和材料 2 的断裂韧性； G d ， 与 E I 、 ． 、 、 2 、 a p ／ a d 有关的函数； E 。 ， v ． ， E 2 ， IJ 2 材料 1 和 2的弹性常数 ； 口 ， a d 偏 转 方 向和贯 穿方 向 的裂 纹 长 度 。 该准则是在 口 。 a 的假设前提下给出的， 由于 这一限制性的假设 ， 有 时根据该模型确定裂纹扩展 行为时发生失效。E ri c Ma r t i n等对上述扩展模型进 行修正 ， 研究了双材料 中垂直但未到达界面 的裂纹 扩展问题 。 利用伪静态近似和假设恒定载荷作用， 建 立了与裂 纹长度 比无关 的改进 的界 面裂纹扩展 模 型， 其表达式为 ， 、C ／ ,-, c m 3 2 式中 。 依赖于材料 1 、 2之间的弹性常数 失配性的几何 因子 ； 应力奇异指数。 一 般复合材 料结 构 中层 间裂纹 扩展方 向有 3 种 单向扩展 向左或向右 、 双 向扩展 同时向左右 2个方向扩展 、 非对称扩展 。通常采用层间裂纹双 向扩展模型或 自相似扩展模型。该模型对 于均质材 料适用 ， 对于结构复杂 ， 受力不均匀 的复合结构材料 来说 ， 裂纹 2个尖端的能量释放率一般有较大差别 ， 用双向扩展模型不尽合理 ， 实际的裂纹扩展依赖 于 裂纹左右尖端能量释放率的相对大小及界面材料性 能。闫相桥等提出了一种根据裂纹左右尖端能量释 放率的相对大小及界面材料性能来决定裂纹扩展的 界面裂纹非对称扩展模型 ， 即 a 4 ， 一、 ， ’， 、 。 ’ ， Ⅱ y y 式中 △G ， AG 裂纹左 、 右尖端能量释放率幅 值 ； d d ． y 裂纹左、 右尖端 的开裂长度 ； a 材料常数。 从前 面的界面裂纹扩展模型看 ， 以上模型或者 基于强度或者基于能量的断裂理论。通常情况下 ， 裂纹的扩展依赖于强度和断裂韧性两者。J P P a r - m i g i a n i 等提 出使用结合区模型对裂纹偏折扩展进行 研究。该模型提供 了把强度和能量理论 自然联系起 来的联合分析界面断裂的框架 ， 体现 了裂纹前端区 域材料具有的牵引 一分离规律特征。一个典型的牵 引 一分离过程为 断裂平面内的牵引力随断裂位移 的增加而增大到最大的结合强度， 当断裂位移到达 临界张开位移时， 牵引力衰减为零。一旦到达了临 界位移 ， 结合区内的材料就认为失效了 ， 裂纹向前扩 展了。根据结合 区模型构建 了一个复合型断规则 。 该规则与正向临界位移和切 向临界位移有关 。 其线 性表达式为 GI ／ rIGⅡ ／ 1 Ⅱ1 5 式中 G I 型裂纹能量释放率； r I型断裂韧度 ； GⅡ Ⅱ型裂纹能量释放率 ； ．r Ⅱ Ⅱ型断裂韧度。 另外， 还有大量的文献利用界面裂纹复合断裂 理论 ， 对具体界面裂纹在特定载荷作用下 的扩展角 度进行 了详细研究 。 为了提高双材料的断裂性能 ， 延长双材料结构 的使用寿命 ， 不仅要掌握双材料界面裂纹扩展理论 ， 更应该清楚影响双材料界面裂纹扩展的因素以及它 们的影响程度 ， 以便对其进行合理控制 。因此， 对双 材料界面裂纹扩展影响因素的研究 也成为人们关注 的焦点。 3 界面裂纹扩展影响因素研究 经过大量的理论和试验研究发现 。 影响双材料 界面裂纹扩展的因素主要有 组成双材料的材料性 能失配性 一般指 2种材料的屈服强度 、 抗拉强度以 及弹塑性参数等性能参数之间的差异 、 界面结合强 度 、 残余应力、 试样的结构尺寸、 界 面裂纹 的初 始长 度和方向、 材料 中的其 它缺陷以及外加载荷的大小 和相角等。主要围绕这些影响 因素对双材料界面裂 纹的扩展行为进行了大量研究 。 M T Mi l a n等对 疲劳裂 纹到 达双 材料 A 1 2 1 2 4 ／ A 1 2 1 2 43 5 ％S I C 3／x m 的宏观界面时材料抵抗裂纹 扩展的能力进行了研究 ， 发现双材料抵抗裂纹扩展 的能力与材料的弹塑失配性、 热残余应力和裂纹初 始扩展的方向有关。正的残余应力强度因子通过增 加作用应力比而增大裂纹的扩展速率， 反之， 负的残 余应力强度因子将通过降低作用应力比或有效应力 强度因子而使裂纹扩展速率降低。双材料中的裂纹 从不 同的方向扩展 弱材料到强材料、 强材料到弱材 料 时， 残余应力强度因子的变化规律不一样， 裂纹 的扩 展 速 率 也 不 同。Wo o n g L e e等 基 于 H e a n d H u t c h i n s o n的裂纹偏转模型， 利用有限元方法研究了 55 维普资讯 查 圃 料 面 纹扩展研究现状杨俊茹， 等 第2 7 卷第7 期 双材料 中垂直并 与界面接触的裂纹的扩展问题。考 虑了裂纹长度、 材料失配性能参数对释放能量 比的 影响。董蕙茹等利用复合型加载装置对双材料界面 裂纹的起裂角进行 了试验研究。试验结果表明试样 厚度和应力复合比对试样的承载能力和裂纹起裂角 有影响。另外 ， S X Ma o a等研究 了金属 一陶瓷复合 材料中的位错在复合模式载荷作用下对界面裂纹起 始扩展的影响 。 同时分析了金属层厚度和界面强度 对裂纹扩展的影 响。 通过 以上双材料界面裂纹扩展研究 ， 发现有一 些问题需要做近～步深入研究 ， 亟待解决 。 4 存在的问题殛研究趋势 目前对双材料中处于特殊位置、 在特殊加载方 式下的界面裂纹 扩展研究 比较集 中， 缺乏对一般位 置界面裂纹在一般加载方式下的扩展模型。因此， 具有普遍性的双材料界面裂纹扩展模型的建立应该 成为以后的一个研究课题。 多数学者采用有限元方法或者试验方法对具体 服役条件下的双材料结构界面裂纹扩展行为进行研 究 ， 缺乏理论研究 。对影响界面裂纹扩展 的因素研 究 中， 多是对单一 因素的单独影响进行研究 ， 缺乏对 多因素共同作用的研究。建立界面裂纹扩展行为参 数与多个影响因素之问的理论关系模型是今后的又 一 研究趋势。 目前对双材料界面裂纹扩展行为的研究局限于 裂纹的起裂条件 以及扩展方向， 裂纹的扩展是一个 动态的过程 ， 而且双材料 中界面裂纹扩展 由于材料 的不均匀性而更加复杂和抽象， 对双材料界 面裂纹 扩展行为进行动态仿真研究是当前 的迫切需求。 参考文献 ． [ 1 ] 沈成康 ． 断裂力学[ M ] ． 上海 同济大学出版社。 1 9 9 6 ． [ 2 ] D u ndu J ． 。 M a t h e m a t i c a l t h e o r y o f d i s l o c a t i o n [ M ] ． N e w Y o r k A m e r i ． c a n S o c i e t y o f Mec h a n i c s l En g i n e e r 。1 9 6 9． [ 3 ] 俞 茂宏 ． 双剪理论 及其应用[ M] ． 北京 科 学出版社 。 1 9 9 8 ． [ 4 ] 龚俊。 郎福元， 王珉． 等． 基于统一强度理论的复合型裂纹断裂准 则[ J ] ． 机械强度． 2 o D 3 。 2 5 3 3 4 7 3 5 1 ． [ 5 ] o h j l O h ts u l ．C o m p a r i s o n o f c r i t e ri a O nt h e d i r e c t i o n o f c r a c k e x t e n s i o n [ J ] ． J o u r n a l o f C o m p u ta t i o n a n d A p p l i e d Ma t h e m et i e s ， 2 0 0 2 1 4 9 3 3 5 3 3 9． 【 6 ] H e M Y ． H u t c h i n s o n J W． C r a c k d e f l e c t i o n a t a n i n t e r f e b e n e n d i s ． s i m i l a r e l a s t i c m a te r i a l s [ J ] ． I n t ． J ． S o l i d s S t r u c t u r e s ． 1 9 8 9 ． 2 5 1 0 5 3 一 l O 6 7． [ 7 ] E r i c M a r t i n ， D o m i n i q u e L e g u i l l o n 。 C ec i l e L a e r o i x ． A r e v i s i t e d c ri t e ri o n f o r c r a c k d efle c t i o n a t “i n t e r f a c e i n a b ri t tl e b l o m a t e r i a l [ J ] ． C o m p o s i t e s S c ie n c e a n d T ech n o l o g y ． 2 0 01 ． 6 1 1 6 711 6 7 9 ． [ 8 ] 同相桥， 冯希金． 界面裂纹非对称扩展模型[ J ] ． 力学与实践， 2 0 0 4 ， 2 4 2 2 42 7 ． 【 9 ] J P P a r m i gi a n i 。M D T h o u l e u．T h e r o l e s o f t D u n e 轴 a n d c o h e s iv e s t r e n g th o n c r a c k d e fl ect i o n a t i n t e r f a c e s [ J ] ． J o u r n a l o f t h e M ec h a n i c s a n d P h y s i c s o f S o l i d s，2 O O 6． 5 42 6 62 8 7． [ 1 0 ] L N o h i l e ．C G a r i o n i ，M N o b il e ．S t r a i n e n e r g y d e n s i t y p r e d i c ti o n o f c r e e k i n i t i a t i o n a n d d i r e c t i o n i n c ro c k ed Tb e a m s a n d p l p e s [ J ] ． T h e e - r e t i e a l a n d Ap p l i e d F r a c tu r e Mc c h a n l c s ， 2 0 0 4， 41 t 1 3 71 4 5． [ 1 1 ] A M u l l e r ，J We eck ，S G o m v a m i ．e t a 1 ．’T h e b o u n d a r y fi n i t e e l e m e n t m e t h o df o r p r e d i c t i ng d i r e c t i o n s o f C r i C k Sm e ng f r o m n o t c h e s a t b ima t - e r i a l j u n eti o ns[ J ] ．E n g i n e e r i n g F r a et me M e c h a n i c s ， 2 0 o 5 ， 7 2 3 7 3 3 8 6， [ 1 2 】 M T M i l a n ，P B o w e n ． E x p e r i m e n t a l a n d p r e d i c t e d f et i gue c r a c k g r o w t h r e s i s t a n c e i n A ] 2 1 241 A I 2 1 2 4 3 5 ％S IC 3 p m b i m a t e r i a l [ J ] ． I n t e r ． n a t i o n s ]J o u r n a l o fF a t i g u e 。 2 0 0 3 。2 56 4 96 5 9． [ 1 3 ] Wo o ng L e e ， Y oH a nY ce， H y 岫h o S hin ． B e cen s i d e mt i o n o f c r a c k d e - fl e et i o n a t p l a n i n t e r f a c e s i n l a y e r e d s y s t e ms [ J ] ．C o m p o l i t e s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4， 64 2 41 52 4 2 3． [ 1 4 ] 董蕙茹。 郭万林， 徐绯． L C 4 C S 错合金三维复合型断裂的试验研 究[ J ] ． 机槭强度， 2 0 0 3 ， 2 5 2 2 2 2 2 2 6 ． [ 1 5 ] S X M a o a ． M Z L t ． E ff ec t s o f d i s l o c a t i o n s h i e l d i n g o n i n te r f a c e c r a c k i n i t i a t i o n and g r o w t h i n me t a o e r a m i e l a y e r e d m a t e ri a l s [ J ] J ．Mech ． Ph y 8 ．S o l id s 。 1 9 9 9．4 7I 2 3 5 12 3 7 9． 作者筒介杨俊茹 1 9 6 9 一 ． 女。 山东泰安人， 山东科技大学机 电学院副救授 。 山东大学博士研究生， 主要从事疆层材料零件设计理 论及其可靠性、 金属切削刀具可靠性等方面的研究工作， 发表论文 2 0余篇 。 T e l 0 5 3 1 9 9 3 9 2 7 3 7， Em a i l ． j l I l| 曲柚g 1 6 3． c o m． 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 3 ． 1 6 本 千lJ 声 明 ‘ 煤矿机械 月刊从 2 0 0 6年第 1 期开始， 以每 1 期为相应的期次、 卷期记录出版次序。1 9 8 0年创刊至今 已有 2 6年， 每年划 为 1 卷 ， 2 O O 6 年 为第 2 7卷。 1 9 8 0年 1 2 期为第 1 卷 1 9 9 0年 1 1 2 期为第 1 1 卷 2 0 0 0年 1 1 2期为第 2 1 卷 1 9 8 1年 1 6期为第 2卷 1 9 9 1 年 1 6期为第 1 2卷 2 0 0 1 年 1 1 2 期为第 2 2卷 1 9 8 2年 1 6期为第 3 卷 1 9 9 2年 1 6期为第 1 3 卷 2 0 0 2年 1 1 2期为第 2 3卷 1 9 8 3年 1 6期为第 4卷 1 9 9 3年 1 6期为第 1 4卷 2 0 0 3年 1 1 2期为第 2 4卷 ． 1 9 8 4年 1 6期为第 5卷 1 9 9 4年 1 6期为第 1 5卷 2 0 0 4年 1 1 2期为第 2 5卷 1 9 8 5年 1 6期为第 6卷 1 9 9 5年 1 6期为第 1 6 卷 2 0 0 5年 1 1 2期为第 2 6卷 1 9 8 6年 1 6期为第 7卷 1 9 9 6年 1 6期为第 1 7卷 2 0 0 6年 I 1 2 期为第 2 7卷 1 9 8 7年 1 6 期为第 8 卷 1 9 9 7年 1 6期为第 1 8 卷 文章参考文献以出版年、 卷 、 期 、 文 1 9 8 8年 1 6 期为第 9卷 1 9 9 8年 1 1 2期为第 1 9卷 章页码进行引用。 1 9 8 9年 1 1 2 期 为第 1 O卷 1 9 9 9年 1 1 2 期为第 2 0 卷 56 - 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