[发明专利]含复杂缺陷材料失效参数的测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种描述复杂缺陷材料的最终失效状态的方法。

背景技术

对于含复杂缺陷的材料，一方面，断裂力学中的能量释放率、应力强度因子和J积分准则等裂纹尖端控制参量的计算，需要明确可测的宏观裂纹长度、形状，而对于材料的复杂缺陷群，则很难获得明确的主裂纹形貌。且随着现代工程材料的发展，诸如多孔金属泡沫材料、纳米多孔薄膜材料、铁电多晶材料等强非均匀材料得到了广泛的应用。这些材料内部往往包含复杂缺陷，且各缺陷之间的干涉屏蔽效应也非常复杂，使得材料在外荷载作用下的内部缺陷演化方式以及演化结果难以被准确的预测和预估。另一方面，单个微裂纹的扩展并不足以引起材料的最终失效,内部缺陷的成胚、孕育、扩展、汇合成宏观裂纹，直至裂纹扩展使得材料发生失稳破坏，材料才最终失效，为了描述复杂缺陷材料的最终失效状态，我们需要建立一个描述复杂缺陷材料最终失效的破坏准则。材料构型力学框架下,研究表明若积分路径为包含所有微缺陷的闭合曲线时,作为材料构型力重要概念之一的M积分,其值取决于材料特性、外加载荷条件、具体缺陷特征(如类型、形状、密度)等断裂损伤因素.显然,所有与材料断裂损伤相关的各种因素都可以通过M积分不同程度地体现。因此,基于材料构型力学的M积分概念可建立一种有效描述复杂缺陷的破坏准则。

基于M积分与外载荷、弹性模量、损伤面积存在特定关系。有如下失效参数Π：

Π=MEσ2AD---(1)]]>

式中：A_D表示损伤区域的面积；σ为外载荷；E为材料基体的弹性模量；系数Π我们称之为复杂缺陷材料的破坏参数,简称Π参数,其可以被理解为材料失效驱动力,并且作为一个只由材料行为、损伤区域面积及试件的几何尺寸所决定的外部参数。该参数在预测含复杂缺陷材料的失效行为中将具有重要作用。

式(1)中M积分的定义表达式如下：

式中：w＝σ_ijε_ij/2,σ_kj,εi_j,u_k和n_i分别为材料应变能密度、应力、应变、位移和围绕缺陷闭合积分路径C的外法向矢量；其中u_k,i为位移对相关坐标x_i的偏微分。

这样,描述材料复杂缺陷的破坏准则最终可表达为：

Π≥Π_C    (3)

其中，Π_C是材料最终失效时的临界值，失效参数Π代表着复杂缺陷体系的破坏程度。

此外，对于材料失效参数的实验测量，以及材料的临界值Π_C的实验标定，至今为止并没有一套行之有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种含复杂缺陷材料失效参数Π的实验测量以及临界值Π_C的实验标定的方法。该方法具有简单，有效，可行的特点，可作为测量复杂缺陷材料器件失效韧性的参考。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种含复杂缺陷材料失效参数的测定方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)制备两端稍宽的长条状试件共4个，其厚度为2mm，试件中部打孔，直径分别2mm、4mm、5mm、6mm；

(2)试件表面进行抛光处理，然后将每个试件表面用两种色差的消反光漆喷涂成散斑状态，便于镜头识别和计算分析；

(3)利用力学试验机对每个试件两端进行拉伸加载，加载速度为0.1mm/s，直到试件完全断裂为止，使用3D-DIC光学测量设备以60张/min的拍摄速率对加载过程进行图像记录，得到每个试件全程加载的位移场分布；

(4)对位移场沿两个坐标轴方向进行三次样条曲线拟合，并由此获得位移场沿两个坐标方向的位移梯度分量：和

(5)通过线弹性的本构方程，经由三个应变分量：