基于有限元模擬材料缺陷對(duì)U71Mn鋼表面主裂紋的影響

王強(qiáng)勝 江曉禹

收稿日期：2023-03-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（11472230）

作者簡(jiǎn)介：王強(qiáng)勝（1992—），男，碩士，從事材料斷裂行為研究.Email：qs18582599601@163.com

通信作者：江曉禹（1965—），男，博士，教授，從事復(fù)合材料力學(xué)和接觸疲勞研究.Email：xiaoyujiang8@sina.com

摘要：通過(guò)有限元法研究了U71Mn鋼在彈塑性狀態(tài)下，其材料缺陷（孔洞）對(duì)表面主裂紋尖端力學(xué)行為的影響.重點(diǎn)分析了裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）、表面張開(kāi)位移（FSOD）、孔洞方位角β與孔洞半徑r等相關(guān)變量對(duì)裂紋尖端J積分的影響.結(jié)果顯示，裂紋面對(duì)應(yīng)力有屏蔽作用，導(dǎo)致裂紋面附近的應(yīng)力松弛，而裂紋尖端對(duì)應(yīng)力有放大作用，隨著外力增加將導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展；孔洞位于主裂紋尖端約-75°<β<75°范圍時(shí)，孔洞將促進(jìn)裂紋尖端的變形，導(dǎo)致CTOD及J積分值增加，促進(jìn)主裂紋的擴(kuò)展；而孔洞位于75°<β<90°或-90°<β<-75°范圍時(shí)，孔洞將阻礙裂紋尖端的變形，導(dǎo)致CTOD及J積分值均比無(wú)孔洞時(shí)要小，從而抑制主裂紋的擴(kuò)展.

關(guān)鍵詞：U71Mn鋼；孔洞；J積分；裂紋張開(kāi)位移；裂紋擴(kuò)展

中圖分類號(hào)：TG142;TB115

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在材料的加工制造和應(yīng)用過(guò)程中不可避免地會(huì)有缺陷產(chǎn)生，比如孔洞、雜質(zhì)與裂紋等［1］.缺陷將對(duì)材料的疲勞和斷裂行為產(chǎn)生較大的影響，主裂紋尖端附近的缺陷對(duì)裂紋的擴(kuò)展速率和擴(kuò)展方向有著很大的影響［2］.為此，缺陷和裂紋的相互作用成為科研人員的重點(diǎn)研究方向.段士杰等［3］通過(guò)復(fù)變函數(shù)方法得到了無(wú)限大彈性平面內(nèi)含圓孔問(wèn)題的理論解.Dundurs［4］、Wang［5］和Wang等［6］對(duì)基體中含有1個(gè)圓形雜質(zhì)和刃型位錯(cuò)的相互作用問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究.文獻(xiàn)［7-8］利用分布位錯(cuò)技術(shù)研究了復(fù)雜載荷作用下半無(wú)限大平面內(nèi)表面裂紋問(wèn)題，并通過(guò)數(shù)值方法得到了該問(wèn)題的數(shù)值解.Tao等［9］利用分布位錯(cuò)技術(shù)研究了遠(yuǎn)場(chǎng)載荷作用下，平面內(nèi)含有1條裂紋……