裂紋萌生的案例
ANSYS 斷裂力學新功能之SMART自適應裂紋萌生分析
裂紋擴展是指材料在外界因素作用下裂紋萌生、生長的動態過程。對于不考慮奇異性的裂紋擴展分析，需要定義準則來確定裂紋萌生的初始位置。新版本中使用SMART（分離、變形、自適應和重劃分網格技術）分析裂紋擴展時增加了最大主應力準則去評估裂紋萌生的時間和位置。當滿足該準則時，裂紋自動以橢圓的形狀（目前只支持橢圓裂紋）和適當的尺寸插入到定義的裂紋區域，然后程序進行下一步的裂紋擴展計算。
以一個簡單的demo來描述SMART自適應裂紋萌生分析的計算步驟:
1、創建分析模型
如圖示緊湊拉伸試樣，一端固定，上下圓孔給定100N拉力，預測產生I形裂紋，最大主應力位置在開口前沿。
圖1 計算模型
2、建立裂紋產生區域節點組件
圖示模型中選擇最大主應力前沿一排節點作為裂紋產生區域的節點組件，并命名為CrkInitZone。
圖2 裂紋產生區域節點組件
3、對模型進行初步分析，最大主應力為61.5MPA，設定產生裂紋的臨界主應力為60MPA
圖3 沒有裂紋時分析，最大主應力云圖
4、在分析中插入如下命令流，定義裂紋產生準則和裂紋擴展計算選項
!! 定義最大主應力作為裂紋萌生準則，注意單位制
TB,CR KI,1（此處去掉“R”和“K”間的空格）
TBDATA,1,60
!! TB,CR KI,MAT_ID,NTEMP,NPTS（此處去掉“R”和“K”間的空格）
!! TBDATA,1,Par1
!!其中Par1是臨界最大主應力值;CR KI,自適應裂紋萌生準則;MAT_ID材料編號（此處去掉“R”和“K”間的空格）
!!
展開 硬質涂層-金屬基體的疲勞裂紋萌生
疲勞測試結果顯示涂層降低了鈦合金的疲勞極限，而對疲勞裂紋源的觀察可以看到，鈦合金試樣的疲勞裂紋源呈現典型的亞表面無缺陷疲勞裂紋源特征，而高應力下鍍膜試樣的疲勞裂紋源呈現從膜基界面向基體內部擴展的河流狀花樣，這表明涂層開裂改變了基體的疲勞裂紋萌生機制，疲勞裂紋在界面處萌生，涂層裂紋未在界面處停止而滲透到基體中，涂層與基體之間的裂紋是連續的，涂層開裂主導的膜致基體解理開裂成為疲勞裂紋萌生的主要機制。低應力下覆膜試樣的裂紋源呈現與基體材料疲勞裂紋源相似的亞表面無缺陷疲勞裂紋源特征，疲勞裂紋開始于次表面，涂層和基體中的裂紋是不連續的。基體滑移臺階導致涂層斷裂，在已被位錯堆積擠壓的脆性α相上形成附加應力集中，加速了亞表面疲勞裂紋萌生。
圖1 (a)疲勞試樣尺寸及(b)拉-拉軸向疲勞測試結果:帶有涂層鈦合金基體疲勞極限應力顯著下降并且在某臨界應力附件出現裂紋形核機制不同
圖2 不同循環應力下的TiN-TC4試樣疲勞裂紋源形貌及位置統計結果：低于臨界應力疲勞裂紋形核于界面附近的鈦合金基體中，高于臨界應力裂紋形核于涂層/基體界面處
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。
展開 北航《IJF》：國產二代鎳基單晶合金超高周疲勞裂紋萌生競爭機制
疲勞裂紋萌生于發生嚴重內氧化之處，氧元素在超高周疲勞過程中可擴散到裂紋尖端，造成尖端動態脆化，又促進了疲勞裂紋的擴展。圖 1右下角顯示，裂紋尖端附近γ′還發生了局部的筏化。此外研究表明再結晶并不會對DD6合金的超高周疲勞性能和裂紋萌生擴展機理產生影響。
圖
1 所有溫度下的超高周疲勞S-N數據圖，1100 ℃下裂紋從表面萌生、沿{001}面擴展（mode I）及1100 ℃下的氧化與局部筏化情況匯總，紅色箭頭指出了除主要源區以外的多個裂紋萌生位置。（圖片摘要：DOI：10.1016/j.ijfatigue.2021.106343）
圖 2以示意圖的方式，說明了超高周疲勞實驗過程中裂紋由內部萌生轉變為表面萌生的潛在機制。
圖
2 描述
超高周疲勞實驗過程中裂紋由內部萌生轉變為表面萌生的潛在機制的示意圖：（
a）富鋁內氧化的形成；（b）氧化輔助疲勞裂紋萌生；（c）氧化與疲勞交互作用下裂紋擴展。（圖 11：DOI：10.1016/j.ijfatigue.2021.106343）
致謝：
趙子華感謝國家自然科學基金
(91860110)
和國家科技重大專項
(2017-IV-0012-0049,J2019-VI-0022)
的資助。陳博感謝英國工程與物理科學研究委員會、
EPSRC
早期事業資助計劃
EP/R043973/1
的資助。此外陳博感謝北京航空航天大學的宮聲凱教授推動了此次合作。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 二維孔邊裂紋萌生step by step ￥10
一旦裂紋開始，該分析可能無法收斂，但是這是可以在Abaqus中使用XFEM建模裂紋開始的概念證明
1.建立一個無裂紋的帶孔二維平板模型
2.定義材料屬性，損傷準則及損傷演化
3.裝配，生成分析步，控制輸出，場變量里輸出PHILSM,STATUSXFEM
4.定義XFEM 區域，這個時候不選裂紋所在位置。裂紋的萌生位置由計算結果決定。
5.劃分網格，定義載荷，提交job。
6.查看結果。
未開裂時：
裂紋萌生時：
A：異種金屬焊接接頭裂紋萌生和擴展的原位SEM研究
【圖文導讀】
圖1 原位拉伸裝置及試樣
（a）室溫原位拉伸裝置示意圖
（b）原位拉伸試樣的尺寸
（c）取樣位置示意圖
圖2 原位拉伸實驗之前的光鏡圖及顯微硬度
（a）母材
（b）焊縫
（c）界面
（d）顯微硬度分布圖
圖3 316L不銹鋼不同應變下的同一位置光鏡圖
（a）3%
（b）5%
（c）6.8%
（d）8.3%
（e）9%
（f）9.8%
圖4 Inconel182不銹鋼不同應變下的同一位置光鏡圖
（a）3.2%
（b）4.1%
（c）6.2%
（d）7.2%
（e）9.3%
（f）最終斷裂
圖5 不同應變下的焊縫原位SEM圖
（a）0%
（b）2.1%
（c）3.9%
（d）6.0%
（e）6.3%
（f）最終斷裂
圖6 不同伸長率下的原位取向圖和圖像質量圖
（a）2.1%
（b）3.9%
（c）6.0%
圖7 不同伸長率下的施密特因子圖
（a）2.1%
（b）3.9%
（c）6.0%
圖8 圖5（d）中區域Ⅰ內的放大EBSD圖
（a）SEM圖
（b）局部取向圖
（c）施密特因子圖
（d）極射投影圖
圖9 圖5（d）中區域Ⅱ內的放大EBSD圖
（a）SEM圖
（b）極射投影圖
（c）局部取向圖
（d）施密特因子圖
圖10 不同區域的斷口SEM圖
（a）母材
（b）焊縫
（c）熔合區
圖11 焊接接頭不同區域的裂紋擴展機制示意圖
【小結】
異質接頭的裂紋萌生和擴展主要取決于顯微組織。由于母材中孿晶數量較多，所以裂紋易于在孿晶邊界形核。在焊縫和熔合區處，由于孿晶比較少，所以裂紋易于在滑移帶處萌生。異質金屬焊接接頭不同區域的斷裂機制也不同。母材是典型的韌性斷裂。
展開 強度丨南航：航空發動機和燃氣輪機熱端部件的熱腐蝕-疲勞性能與壽命預測方法研究進展
對于未進行熱腐蝕的GH4169合金，疲勞裂紋主要在表面的滑移帶中萌生，然后沿{111}滑移面擴展。與其他鎳基高溫合金的情況類似，在裂紋萌生位置周圍可以觀察到大量的解理面[65,66]。對于熱腐蝕后的GH4169合金，疲勞裂紋主要從表面的熱腐蝕層萌生，裂紋萌生區周圍形貌較為光滑，未觀察到晶體學解理面。此外，從斷口上可以看出，熱腐蝕層的結構比較松散，由于熱腐蝕層的剝落，在裂紋萌生區的試樣表面形成了凹坑，如圖8(c）中第5幅圖所示。當裂紋穿過熱腐蝕層時，疲勞裂紋擴展特征與原始GH4169合金一致，呈現穿晶擴展，在疲勞裂紋擴展區可以觀察到明顯的疲勞條帶。斷口分析表明，熱腐蝕主要影響GH4169合金的疲勞裂紋萌生過程，但對疲勞裂紋擴展沒有影響，因此熱腐蝕導致GH4169合金疲勞壽命的降低主要與疲勞裂紋萌生過程有關。圖8(d）示意性地說明了熱腐蝕影響GH4169合金疲勞裂紋萌生過程，熱腐蝕影響疲勞裂紋萌生的因素包括以下幾個方面：（1）表面熱腐蝕層/氧化層剝落，降低了試樣的有效承載面積，增加了實際應力。（2）氯化物的揮發導致腐蝕坑的形成，表面熱腐蝕層的剝落形成凸起和起伏，引起應力集中，從而加速疲勞裂紋萌生。（3）氧化層中形成的裂紋或氧化層中已存在的微裂紋在疲勞載荷作用下通過硫化物層擴展進入基體，最終引起疲勞斷裂。在這種情況下，由于疲勞裂紋萌生階段較短或沒有，疲勞壽命會大大降低。（4）硫化層的硬度較低，表明該區域的變形可能發展得更明顯，導致應變局部化并加速裂紋萌生。
展開 基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展） ￥1.99
基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展）
建模分析流程：
用WB建立FEM幾何模型，用APD前處理，用LSPP進行femsph轉化，生成SPH粒子，進行虛粒子約束等便捷處理，定義接觸設置求解時間，定義裂紋損傷的輸出等，最后用UE軟件對K文件進行查看，替換硬脆材料的JH-2本構模型，檢查K文件正確性等。用LSDYNA對K文件求解，用LSPP查看結果，用ORIGIN對數據結果進行處理。
結果展示：
【CAE案例】應力腐蝕開裂（SCC）的有限元仿真
圖3 開裂路徑的設置
應力腐蝕過程存在著三個階段：潛伏階段、裂紋萌生階段以及裂紋傳播階段。在潛伏階段中，晶體微結構受到應力作用和晶間腐蝕作用的影響，但是并沒有裂紋生成。在裂紋萌生階段中，裂紋開始生成，但是裂紋穿透深度很小。之后裂紋逐漸擴展，達到裂紋傳播階段，此時裂紋擴大至可以穿過整個晶間區域。有限元仿真的一個難點在于準確的判斷出不同的晶粒間所處的應力腐蝕的階段，為此相關研究人員開發出了一套如下圖所示的具體仿真流程。
圖4 應力腐蝕開裂仿真流程
仿真過程中可以通過不同晶粒之間的PH值判斷是否發生氧化。考慮到本研究是基于有限元的斷裂力學仿真，并沒有引入多物理場。氧化一般會發生在金屬與水的交界面上，當判斷晶粒間出現氧化后，會給晶粒間一個更小的臨界切應力，使得裂紋萌生的過程更容易發生。
首先，需要計算裂紋出現前晶體結構上的應力結果，再根據應力計算結果，基于開裂準則來判斷裂紋是否萌生。下圖中展示了（100）（111）（110）晶向交界處的平均等效應力計算結果。
圖5
晶體截面上平均等效應力的計算結果
再依據開裂準則可以判斷出裂紋是否萌生和傳播擴展，接下來就可以進一步對應力腐蝕開裂處的上下邊界進行平均等效應力計算。下圖展示了發生應力沿晶腐蝕后，每個高斯積分點上的等效應力計算值統計結果。
展開 不同流道布置的平板式固體氧化物燃料電池蠕變損傷研究
由圖中可以看出在交叉流條件下，經過 50 000 h 蠕變后所有構件損傷均未達到臨界損傷值，上連接體未出現裂紋。
綜上對同流、逆流、交叉流條件下運行 50 000 h后平板式 SOFC 蠕變損傷分析，發現同流條件下，平板式 SOFC 在運行 19 800 h 蠕變后達到臨界損傷值；逆流條件下，平板式 SOFC 在 24 000 h 蠕變后達到臨界損傷值，出現裂紋，并且在 48 700 h 后出現新的裂紋；交叉流條件下經過 50 000 h 后未達到臨界損傷值。綜上分析相同工作條件下交叉流相比于同流、逆流損傷更小，使用壽命更久，屬于最佳流道方式。
為進一步分析在交叉流條件下平板式 SOFC 裂紋萌生時間，及使用壽命。圖 12 分析了平板式 SOFC在交叉流條件下蠕變 100 000 h 各構件損傷隨時間變化曲線，可以看出損傷也經歷了減速、恒速、加速三個階段，并經過 78 500 h 蠕變，上連接體最先達到臨界損傷值 0.99，裂紋萌生。
3 結論
全面考慮了質量、動量、熱量、電化學反應等多場耦合的共同作用，對平板式 SOFC 多通道多場耦合下的不均勻溫度場進行數值計算。詳細研究了同流、逆流以及交叉流三種氣體流向布置在不均勻溫度下的電池內部蠕變損傷及裂紋萌生位置。主要結論如下。
(1) 對平板式SOFC 不同流道布置下的三維多物理場耦合數值模型進行了計算，得到了不均勻溫度場分布，發現不同流道布置下溫度分布存在著顯著差異；逆流條件下溫度最低，交叉流條件下溫度最高，三種流動方式下溫度最小值均出現在氣體入口，最大值出現在氣體流道出口，模擬所得極化曲線與試驗數據吻合良好，證明了模型的有效性。
展開 高周疲勞與低周疲勞
疲勞裂紋是由反復施加的載荷引起的，若施加的載荷太小，則不會導致失效。疲勞裂紋通常從部件表面開始，這是裂紋萌生。然后，裂紋可能沿垂直于正應力的方向擴展。這是裂紋擴展。最后部件可能會斷裂。
下圖展示了疲勞斷裂的三個階段：
圖1
疲勞斷裂的三個階段
在某些情況中，我們無法觀察到裂紋擴展階段的變化。這種情況下，裂紋在微觀尺度上快速增長，最終導致組件突然失效。
裂紋擴展和最終斷裂這兩個階段通常屬于斷裂力學
領域的研究內容。
而“
疲勞
”
主要適用于第一階段。由于
部件
的大部分壽命都消耗在了
裂紋萌生階段
，因此，大多數設計方案都會盡可能避免出現此類
現象
。
這里插一句：斷裂力學是固體力學的一個分支，它是研究材料和工程結構中裂紋擴展規律的一門學科。
現代疲勞理論為每個階段提供了單獨的分析。裂紋萌生理論是基于疲勞裂紋是由構件表面的局部應變和應力引起的假設。裂紋擴展理論將裂紋擴展與構件中的應力聯系起來。用斷裂力學對最終斷裂進行了分析。早期的理論將整個疲勞壽命視為一個單獨的整體，并將疲勞壽命與構件中計算的工程應力相關聯。
下圖顯示了在彎曲試驗中軸的疲勞斷裂。裂紋萌生發生在表面（圖片頂部）。裂紋的發展過程由條紋或海灘痕跡所顯示，這些條紋占據了斷裂面的大部分，圖片底部有一小部分脆性斷裂痕跡。
圖2
斷口照片
2. 低周和高周疲勞的區分
根據產生裂紋所需的載荷循環次數，人們習慣將疲勞分為低周疲勞
和高周疲勞。
展開 噴丸強化表面的疲勞過程
疲勞試驗中觀測的現象表明：
⑴噴丸前的預應變減少了塑性應變速率；降低試驗溫度，則塑性應變降低；
⑵裂紋源通常在非金屬夾雜物附近，這是由于夾雜物局部區域造成了很高的應力集中；
⑶噴丸處理可推遲裂紋的萌生，而預應力噴丸對裂紋的萌生有更大的推遲作用，降低試驗溫度具有同樣效果。
裂紋萌生期依賴于抗拉強度，抗拉強度增加可使裂紋萌生時間增加，這種關系也適合于低溫的情況，但裂紋產生后，并不穩定擴展。這是由于隨著表面層殘余應力的增加，裂紋的擴展可被推遲到Ng(該點定義為裂紋穩定擴展至斷裂時的壽命)。隨著壓應力的增加，裂紋遲緩(Ng-Ni)增加，循環到斷裂的周次Nf也增加。Ni為裂紋萌生時的循環周次，Nf為循環至斷裂的周次。
同一表面處理狀態下，增加抗拉強度，疲勞壽命增加。同一抗拉強度下，預應力狀態的疲勞壽命增加。
疲勞壽命受臨界裂紋長度ac的限制，而臨界裂紋長度依賴于抗拉強度和溫度。降低溫度和增加抗拉強度都使臨界裂紋長度減少，當然，臨界裂紋長度也受加載水平影響。
對不同抗拉強度、試驗溫度和表面處理試樣疲勞后，試樣力學性能的變化(由疲勞加載所引起)如表4所示。
展開 
abaqus和franc3d疲勞裂紋擴展分析對比
精確估算出結構的疲勞壽命，確保結構在服役期內不發生疲勞失效是疲勞裂紋研究的目的。Abaqus和Franc3D均可以模擬循環載荷下的疲勞裂紋擴展行為，本文對兩者的模擬結果進行了對比分析。
Abaqus中可以通過直接循環法進行疲勞裂紋擴展分析，整個過程包含兩階段，（1）裂紋萌生階段；（2）裂紋擴展階段。
裂紋萌生準則如下
裂紋萌生后的擴展速度采用基于能量釋放率的Paris公式進行描述
Abaqus中通過設置關鍵字來引入裂紋擴展模型。
*Fracture Criterion,TYPE=FATIGUE,MIXED MODE BEHAVIOR=POWER(BK or REEDER)
Franc3D與Abaqus的區別在于裂紋描述方式上，abaqus采用擴展有限元方法來描述裂紋，Franc3D則通過自適應網格來描述裂紋。Franc3D內置了多種疲勞裂紋擴展速率模型，如下圖所示。
在計算疲勞裂紋擴展時，Abaqus和Franc3D本質上的物理機理是相同的，只是各自具體的實現方法有所區別。本文分別使用Abaqus和Franc3D模擬了含有預制裂紋平板的疲勞行為，并對模擬結果進行了對比。
Abaqus中模型的幾何形狀和加載方式如下圖所示。Abaqus計算出裂紋尖端的能量釋放率，并結合式(2)進行裂紋疲勞擴展分析。
Franc3D中的網格如下所示。Franc3D對裂紋尖端網格進行了楔形單元劃分，通過M-integral等方法計算出裂紋尖端的應力強度因子，結合Paris公式等進行疲勞裂紋擴展分析。
展開 晶體塑性每日文章推薦（九）
基于作者提供的思路，可以嘗試使用huang程序＋udmgini子程序進行類似的模擬，并與ebsd對比研究，這里簡單介紹思路和注意事項
（1）模擬時需要指定xfem區域和允許裂紋擴展
（2）模擬時編寫程序把udmgini程序加入到huang原始晶體塑性和程序中
（3）xfem是網格敏感的，使用全積分點，并保證裂紋萌生區域網格足夠細化
（4）xfem和晶體塑性組合使用時容易造成數值的不穩定性，使用盡量小的時間步進行嘗試
（5）邊界條件對于初始裂紋的萌生和后續的擴展可能會有顯著影響，盡量應用周期性邊界條件
這里展示一個包含100個晶粒的二維FCC多晶模型在周期性邊界條件下的裂紋萌生和擴展情況
幾何模型：
定義xfem區域：
裂紋發展情況：
應力分布：
累計剪切分布：
展開 橡膠產品的壽命計算
橡膠材料的疲勞壽命研究方法包括疲勞裂紋萌生方法和疲勞裂紋擴展方法兩類，工程上多采用基于橡膠材料S—N曲線的疲勞裂紋萌生方法進行壽命預估；以應變能密度為疲勞損傷參量的裂紋萌生法被證明在多軸條件下具有更好的適用性。
2、 S-N曲線
載荷與疲勞失效的關系，采用的是應力-壽命曲線或S-N曲線來表示:
--若某一部件在承受循環載荷,經過一定的循環次數后,該部件裂紋或破壞將會發展，而且有可能導致失效；
--如果同個部件作用在更高的載荷下,導致失效的載荷循環次數將減少；
--應力-壽命曲線或S-N曲線,展示出應力幅與失效循環次數的關系。
S-N曲線中的水平直線部分對應的應力水平就是材料的疲勞極限，其原意為材料經受無數次應力循環都不發生破壞的應力極限，Workbench默認的“無數次”
為1E6。
斜線部分給出了試樣承受的應力幅水平與發生疲勞破斷時所經歷的應力循環次數之間的關系，多用如冪函數的形式表示。
式中σ為應力幅或最大應力，N為達到疲勞破斷時的應力循環次數，m，C材料常數
如果給定一個應力循環次數，便可由上式求出或由斜線量出材料在該條件下所能承受的最大應力幅水平。反之，也可以由一定的工作應力幅求出對應的疲勞壽命。因為此時試樣或材料所能承受的應力幅水平是與給定的應力循環次數相關聯的，所以稱之為條件疲勞極限，或稱為疲勞強度。斜線部分是零部件疲勞強度的有限壽命設計或疲勞壽命計算的主要依據。
材料或構件到發生疲勞破壞時所經歷的應力循環次數稱為材料或構件的疲勞壽命，通常它包括疲勞裂紋的萌生壽命與擴展壽命之和。
3.、 疲勞壽命計算原理
任何疲勞計算，都是基于五個步驟，即五步法。
結構疲勞計算的重要一點，就是將時間引入到了計算結果中，就是疲勞的計算結果和時間相連。
展開 正交異性鋼橋面板抗疲勞之策
圖1 U肋母材裂紋萌生于橫隔板上過焊孔處
圖2 U肋母材裂紋萌生橫隔板弧形切口處
原因分析
力學因素：當輪載作用在橫肋上方時，由于橫肋豎向彎曲變形，U 肋側板產生面外變形，受兩者之間角焊縫的約束，在圍焊端趾部產生很大的次彎曲應力。
構造因素：通常縱肋貫通，橫肋上設置弧形切口，橫肋與U肋兩側用角焊縫連接，這種幾何形狀造成很高的應力集中，而且組裝精度和窄小的過焊孔和弧形切口的圍焊等，確保焊接質量難度較大。
在荷載作用下并受到焊縫缺陷影響，很容易從弧形切口和過焊孔的焊縫圍焊端的焊趾處萌生裂紋，并逐漸擴展到U肋母材。
維修加固方法
1.當裂紋長度較短，在裂紋尖端鉆制止裂孔，限制裂紋繼續開裂。
2.當裂紋長度較長，在裂紋尖端鉆制止裂孔。由于裂紋沿焊縫發展后拐向 U 肋母材，位于焊縫位置的裂紋段應先氣刨并采用焊接修補處理，位于 U 肋母材上的裂紋采用栓接鋼板的方式對 U 肋進行補強。維修加固后照片見圖3。
圖3 橫隔板過焊孔及弧形切口處U肋母材裂紋
U肋焊縫裂紋
U肋焊縫裂紋萌生于U肋與橋面板焊縫焊趾或焊根處(圖4),對于部分焊縫裂紋甚至會延伸至U肋母材上(圖5）。
展開 