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裂纹增长和断裂-声发射技术物理基础
(2010-09-14 11:38:42)
裂纹增长和断裂-声发射技术物理基础
(1) 裂纹和应力
内部带有裂纹的材料在受到应力作用时，应力场必定要“围绕着”裂纹的边界产生集中。应力的集中作用将使裂纹尖端的材料产生变形，甚至破坏，而这时材料的其它部位还都处于强性范围以内。图2.12给出了有裂纹材料和无裂纹材料的应力场分布示意图。
由此，就解释了为什么裂纹是强的声发射源，而且在材料整体处于弹性范围时，裂纹和类似的缺陷确已经产生了声发射信号。
(2) 临界和亚临界裂纹扩展
“临界”是指达到这一点后，裂纹将很快地前进扩展，并且迅速地使部件断裂。已经证明，在裂纹尖端附近的应力场达到一定值的条件下，裂纹将发生很快的扩展。
裂纹尖端附近应力场的强度通过“应力强度因子”K来描述，K值与作用在部件上的载荷和裂纹的大小有关。K的临界值就是用于裂纹张开的力，在这个力的作用下裂纹将很快扩展，同时部件将立刻断裂，用KIc来表示K的临界值，通常用于衡量材料的断裂韧性。
如果已知某种材料的断裂韧性以及在部件中所设定的应力场，根据上述的概念就能够计算临界裂纹的尺寸。在无损检测试验的实际工作中，我们经常遇到的问题就是能否检测到一定大小的裂纹，因此上述计算临界裂纹大小的概念正好与检验的实践相结合。
“亚临界”裂纹扩展就是发生在裂纹临界扩展发生以前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下：
a) 不断上升的载荷作用
b) 疲劳（循环或重复载荷）
c) 应力腐蚀开裂
d) 氢脆开裂
e) 腐蚀疲劳
在评定裂纹是否将要扩展以及将要以什么速度扩展过程中，环境效应通常是很重要的因素。在亚临界裂纹扩过程中，声发射主要来自于两种声源：
a) 塑性区、主开裂和夹杂的脱层；
b) 裂纹前沿本身的向前运动。
(3) 裂纹扩展的形式
多晶体材料的断裂，可分为脆性断裂和韧性断裂；而在金属组织晶粒的尺度上又分为沿晶断裂和穿晶断裂；从断口的形貌来看又可分为解理断裂和疲劳断裂等。图2.13至2.18分别给出了这些断裂方式的示意图。
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