陈鹏程, 马玉娥, 彭帆, 周玲珑

(西北工业大学 航空学院, 陕西 西安 710072)

腐蚀化学环境会诱发金属结构产生氢脆(HE,hydrogen embrittlement),在与力学环境共同作用下,会更容易造成结构的失效和破坏。相比于单纯的断裂破坏,氢脆断裂在断裂前的征兆不易观察,临界破坏载荷更小,裂纹扩展速度更快,因此带来的破坏性更强[1]。氢脆断裂造成的工程失效案例屡见不鲜,涉及航空、航天、储能等重大战略性领域。因此研究氢脆断裂问题有重要的实际应用价值。

对于单纯的断裂问题,工程上一般采用有限元仿真来实现对断裂过程的模拟和预测,但是传统的有限元方法(FEM)在处理断裂问题时需在裂纹扩展过程中不断追踪裂纹界面,反复对裂尖进行网格重新细分才能精确计算裂尖奇异场[2],因而在处理断裂问题时存在计算复杂、精度过低等缺点。

变分断裂相场法则可以很好地弥补FEM这些缺点:断裂相场法通过序参量的自动演化来确定裂纹面,因此可以避免追踪裂纹面的繁琐过程。此外,相场法还可以在不引入额外的失效准则条件下确定裂纹启裂和扩展的方向[3-4]。

与普通断裂不同,氢脆断裂伴随复杂的氢扩散过程,需考虑氢浓度场演化对材料断裂韧性的影响。值得注意的是,相场断裂模型的实质就是相场和位移场相互耦合的偏微分方程组,不同场间的影响可以通过相应的控制方程体现,因此利用相场法来处理多场耦合下的断裂问题十分有效。

目前有关……