材料断裂力学.doc

材料的断裂力学断裂力学 fracture mechanics 固体力学的一个新分支，它是研究材料和工程结构中裂纹扩展规律的一门学科。所说的裂纹是指宏观的、肉眼可见的裂纹。工程材料中的各种缺陷可近似地看作裂纹。断裂力学的基本研究内容包括：裂纹的起裂条件；裂纹在外部载荷和（或）其他因素作用下的扩展过程;裂纹扩展到什么程度物体会发生断裂。另外,为了工程方面的需要，还研究含裂纹的结构在什么条件下破坏；在一定载荷下，可允许结构含有多大裂纹；在结构裂纹和结构工作条件一定的情况下，结构还有多长的寿命等。 在断裂力学中,按照裂纹表面上质点的相对位移,可将裂纹分为三种基本类型(见图)，分别称为张开型裂纹、滑开型裂纹和撕开型裂纹，或分别称为型裂纹、型裂纹和型裂纹。物体中任一裂纹都可看作是这三种基本类型裂纹的组合，而断裂力学正是在研究这三种基本类型裂纹的基础上研究一般裂纹的。 简史 断裂力学是20世纪50年代开始形成的。随着航天工业等的发展出现了超高强度的材料，对于这种材料，传统的强度设计已不能满足需要。传统的强度理论把材料和结构看成是没有裂纹的完整体。实际材料和结构中存在着裂纹，但如果材料的强度较低，裂纹的存在对结构安全的影响通常并不明显，由于在设计中采用了一定的安全系数，设计也就能够满足工程需要。但对于高强度材料或处在某些条件下的材料，裂纹的存在会使情况发生根本变化，这就必须考虑材料对于裂纹扩展的抵抗能力,为此引进了材料的断裂韧性这一力学概念,并出现了断裂力学。在断裂力学出现以前，由于生产知识的积累，人们曾总结出一些材料的韧性指标，如冷脆转变温度、冲击能量等，它们都是一些定性的经验的参量，只能在一定条件下用于评定材料，而不能用于设计。在美国的G.R.欧文等人的努力下，逐步建立起线弹性断裂力学并进而发展出弹塑性断裂力学，提出了一些描述裂纹扩展的参量,如应力强度因子、J 积分、裂纹张开位移(见COD法)等，它们可以定量地用于设计。将它们和传统的强度理论结合起来，可以设计出更安全的工程结构。因此，在航天、核电工程等方面断裂力学的应用越来越广泛。另一方面，由于裂纹顶端的一个很小的区域对于裂纹扩展规律有重要影响,因此,裂纹扩展同材料的一些微观特性，特别是冶金性质（如晶粒大小、二相粒子、位错等）关系极大，这就要求断裂力学在研究中把材料工艺学、冶金学、金属物理学等方面的成果同力学结合起来。随着断裂力学的发展，微观裂纹也已进入研究范围。在研究裂纹扩展规律时，也开始涉及裂纹产生的原因。 研究内容 断裂力学的研究内容按学科可分为： 线弹性断裂力学它在弹性力学线性理论的基础上研究脆性材料中的裂纹扩展规律，并以应力强度因子和能量释放率等作为控制裂纹扩展的参量。脆性材料是指在裂纹扩展直至最后破坏的过程中，其内部出现较小塑性变形的材料。（见线弹性断裂力学）弹塑性断裂力学它在弹性力学和塑性力学的理论的基础上研究韧性材料中的裂纹扩展规律，并以裂纹张开位移和 J积分作为控制裂纹扩展的参量。韧性材料是指在裂纹扩展直至最后破坏的过程中，其内部出现较大塑性变形的材料。（见弹塑性断裂力学） 断裂动力学它研究高速加载或裂纹高速扩展条件下的裂纹扩展规律,在研究中须考虑物体的惯性。(见断裂动力学)另外,断裂力学的研究内容中还有一些特殊问题,如：三维断裂力学问题：目前断裂力学中已取得的成果多限于二维（或平面）问题，而三维问题比较复杂，但却吸引了学者们的兴趣；应力腐蚀问题：指在环境介质（腐蚀介质和某些非腐蚀介质）和拉应力共同作用下材料的断裂问题；疲劳裂纹扩展问题：疲劳是在交变载荷作用下材料中裂纹形成和扩展的过程，断裂力学主要用于研究疲劳裂纹的扩展问题；非金属材料的断裂问题；其他工程应用问题。 -断裂力学 fracture mechanics 固体力学的一个新分支。研究带有初始裂纹的构件发生低应力脆断的规律性，并据此提供防止这种断裂的计算方法。低应力脆断是构件在承受的拉应力远低于材料的屈服强度时所发生的意外断裂，是裂纹从裂纹源处扩展到全断面而造成的。 断裂力学中对于材料所用的力学模型比材料力学中的力学模型多一条或几条裂纹，也就是说，材料为均匀、连续介质的假设仍被引用,只是在个别有裂纹的部位,介质的连续性才被破坏。 在研究裂纹处有拉应力的构件（如带初始裂纹的拉伸或弯曲构件）的低应力脆断规律时，除了裂尖附近的极微小区域外，材料均处于线弹性状态，故可按线弹性力学的方法对裂尖附近区域内的应力、应变和位移进行分析。由于裂纹的力学模型是在尖端处曲率半径等于零的尖切口，因此，按线弹性力学方法求得的裂尖处的应力就具有奇异性，而这种应力奇异性的强度通常被称为裂尖处的应力强度因子,用KI表示(见图)。 KI值与拉伸或弯曲构件在裂尖位置处的拉应力 成正比，并与裂纹尺寸参数a的平方根成正比。线弹性断裂力学认为,带裂纹构件裂纹发生失稳扩展的必要条件是：裂尖处的应力强度因子KI达到材料的临界应力强度因子值KIc。KIc通常称为材料的平面应变断裂韧度，其值可通过对于带有初始裂纹的拉伸或弯曲试样进行试验求得。当试样尺寸符合一定的要求时，用试样测得的断裂韧度KIc值就与试样的几何尺寸及它们之间的比例无关，而是材料固有的力学性能。对于各种受力情况及裂纹情况下的构件，在裂尖处的应力强度因子目前已有手册备查，常用材料的断裂韧度KIc值也有试验数据可查。因此，按线弹性断裂力学方法，就可以评定带初始裂纹的构件对于低应力脆断的安全性，以此作为常规强度计算的一个补充。 很多带初始裂纹的构件是用低强度、高韧度材料制成的。在裂纹发生失稳扩展前，裂纹尖端附近已出现了较大范围的塑性区。对这类构件，线弹性断裂力学的分析方法已不适用。按弹塑性断裂力学的观点来判断这种裂纹起始扩展的条件，通常是以裂纹尖端处的张开位移值达到裂纹开裂时材料的临界值cr作为判据。也有时采用在裂纹周围弹塑性区域内一个与积分线路无关的能量线积分 J达到裂纹启裂时材料的临界值JIc作为判据。J和这两个参数在线弹性条件下均与应力强度因子KI存在着确定的关系。材料的这两个固有的力学性能cr和JIc可称为材料在弹塑性条件下的断裂韧度值。由于在弹塑性范围内裂纹从启裂到失稳扩展这一过程中，构件的承载能力还有所增长,所以，按启裂时的cr或JIc进行计算是偏于保守的。 近年来,已开始将断裂力学中的参量，例如K、J、等，用来描述带裂纹构件在疲劳、蠕变、应力腐蚀等过程中裂纹扩展的规律，据此判定这类构件的使用寿命。这方面的研究已取得了初步的成功，并在飞机结构、反应堆压力容器及管道等方面应用。但对扩展中的裂纹，当其裂纹扩展量较大时，为描述裂纹尖端处的应力、应变及位移场，需用一个新的参量来代替原来常用的K、J、等参量才更恰当。对此还有大量的理论和实验工作有待进行。参考书目 D.布洛克著，王克仁等译：工程断裂力学基础，科学出版社，北京，1980。(D.Brock，Elementary Enineerin Fracture Mechanics，Noordhoff,Leyden，1974.) -断裂力学 fracture mechanics 研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科学。固体力学的一个分支。又称裂纹力学。它萌芽于20世纪20年代A.A.格里菲斯对玻璃低应力脆断的研究。其后，国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，促进这方面的研究，并于50年代开始形成断裂力学。根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小，可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学；根据所研究的引起材料断裂的载荷性质，可分为断裂（ 静）力学和断裂动力学。断裂力学的任务是：求得各类材料的断裂韧度；确定物体在给定外力作用下是否发生断裂，即建立断裂准则；研究载荷作用过程中裂纹扩展规律；研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂（即应力腐蚀）问题。断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源等工程领域得到广泛应用。 线弹性断裂力学 应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。1921年格里菲斯通过分析材料的低应力脆断，提出裂纹失稳扩展准则格里菲斯准则。1957年G.R.欧文通过分析裂纹尖端附近的应力场，提出应力强度因子的概念，建立了以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则。线弹性断裂力学可用来解决脆性材料的平面应变断裂问题，适用于大型构件（如发电机转子、较大的接头、车轴等）和脆性材料的断裂分析。实际上，裂纹尖端附近总是存在塑性区，若塑性区很小（如远小于裂纹长度），则可采用线弹性断裂力学方法进行分析。弹塑性断裂力学 应用弹性力学、塑性力学研究物体裂纹扩展规律和断裂准则，适用于裂纹体内裂纹尖端附近有较大范围塑性区的情况。由于直接求裂纹尖端附近塑性区断裂问题的解析解十分困难，因此多采用J积分法、COD（裂纹张开位移）法、R（阻力）曲线法等近似或实验方法进行分析。通常对薄板平面应力断裂问题的研究，也要采用弹塑性断裂力学。弹塑性断裂力学在焊接结构的缺陷评定、核电工程的安全性评定、压力容器和飞行器的断裂控制以及结构物的低周疲劳和蠕变断裂的研究等方面起重要作用。弹塑性断裂力学的理论迄今仍不成熟，弹塑性裂纹的扩展规律还有待进一步研究。 断裂动力学 采用连续介质力学方法 ， 考虑物体惯性，研究固体在高速加载或裂纹高速扩展下的断裂规律。断裂动力学的主要研究内容为：断裂准则，包括裂纹在高速加载下的响应及起始和失稳扩展准则、高速扩展裂纹的分叉判据。高速扩展裂纹尖端附近的应力应变场。裂纹高速扩展的极限速度。裂纹高速扩展的停止（止裂）原理。高应变率条件下的材料特性及其对高速扩展裂纹阻力的影响。裂纹高速扩展中的能量转换。高速碰撞下的侵彻和穿孔问题。断裂动力学研究方法分理论分析和动态实验两方面。断裂动力学已在冶金学、地震学、合成化学以及水坝工程、飞机和船舶设计、核动力装置和武器装备等方面得到一些实际应用，但理论尚不够成熟。 沈阳材料科学国家(联合)实验室材料疲劳与断裂研究部张哲峰博士的研究组最近在材料强度理论与断裂规律的研究中取得最新进展，他们将四个经典的断裂准则：最大