断裂力学GRIFFITH断裂准则.ppt

教材 1 D Gross T Seelig FractureMechanics withanintroductiontoMicromechanics Springer 2006 2 范天佑断裂理论基础 科学出版社 20033 黄克智余寿文 弹塑性断裂力学 清华大学出版社 19874 杨卫 宏微观断裂力学 国防工业出版社 19955 庄茁 蒋持平断裂与损伤 机械工业出版社 2003 6 余寿文 冯西桥 损伤力学 清华大学出版社 1997 第一讲 绪论 GRIFFITH断裂准则 工程断裂问题与材料断裂韧度 断裂问题材料的强度和韧性是两个概念 高强 低韧材料引起的断裂 好材料 的设计目标 高强 高韧 材料中缺陷的存在以及含缺陷材料和构件的使用 断裂力学 常见工程断裂问题飞机机身和船体开裂 天然气和其他压力管道的裂纹扩展 铁轨与车轴等构件的疲劳断裂 压力容器发生破裂 意义与工程背景 工程断裂实例20世纪80年代末期 我国东北大型钢铁企业的一座高炉煤气管道发生开裂事故破坏原因由于管道内部高压产生的环向应力和大跨度自重作用引起的纵向应力使管道中部下面管壁处于双向高拉应力区 加之常年的粉尘冲刷又使管壁内部变薄 终于酿成管道开裂的煤气泄漏事故 若不是及时发现并采取了补强措施 将会发生火灾和人员伤亡的灾难性后果 断裂力学 意义与工程背景 工程断裂实例20世纪50年代连续发生的彗星号客机失事 20世纪70年代以来军用和民航飞机的多次坠毁 20世纪80年代天然气管道和压力容器的裂纹扩展 20世纪90年代的高速列车出轨事故 断裂力学 意义与工程背景 断裂力学 Thisshipwithaweldedsteelhullfailedbybrittlepropagationofacrackwhilemooredindock 断裂实例 断裂力学 断裂力学 意义与工程背景 断裂力学简介 Nf Ni Np Dominatesathigh cyclefatigue Fatiguecrackpropagation IandII Crackinitiationandpropagation StageII Benchmark clamshell Striations 断裂力学简介 据美国和欧共体的权威专业机构统计 世界上由于机件 构件及电子元件的断裂 疲劳 腐蚀 磨损破坏造成的经济损失高达各国国民生产总值的6 8 据我国劳动部统计 我国在20世纪80年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约五千起 人员累计伤亡近万人 居国内劳动安全事故的第二位 断裂力学的研究意义在于防范上述的破坏行为 降低由断裂和破坏造成的经济损失 减少事故的发生 断裂力学 意义与工程背景 断裂力学 研究内容 断裂力学问题的提出 结构方面表观因素 缺陷 裂纹 工况有应力集中部位低温环境经典强度条件满足厚截面 平面应变 三轴 突然 灾难性 材料方面内在因素 材料性能及其变化抵抗裂纹扩展的能力低温 脆断高强度钢 低应力脆断裂尖承载能力厚度承载能力 构件的缺陷和裂纹是导致构件脆断的主要根源 构件自身抵抗裂纹扩展的能力制约着构件裂纹扩展的难易程度 传统材料力学的强度问题 两大假设 均匀 连续 断裂力学 均匀性假设仍成立 但且仅在缺陷处不连续 断裂力学 1 断裂力学分类线弹性断裂力学 弹塑性断裂力学 微观断裂力学 2 裂纹的分类 3 断裂发生破坏的几个阶段与断裂力学应用 工程断裂问题与材料断裂韧性 断裂力学是在力学分析中引入了裂纹的概念 认为 断裂的发生源于裂纹的扩展 裂纹的扩展由裂纹尖端开始 裂纹尖端应力应变场强度的大小决定裂纹能否扩展 表征裂纹尖端应力应变场强度参量的引入 工程断裂问题与材料断裂韧度 断裂问题的分类 线弹性断裂力学 脆性断裂弹塑性断裂力学 延性断裂 韧性断裂 脆性断裂 延性断裂 断裂力学的能量准则 断裂分析的能量方法 A A Griffith 1921 英国弹性能释放率 裂纹扩展造成的新表面的表面能经典问题 单向拉伸的含中心裂纹的无限大板 裂纹临界扩展的Griffith判据 断裂力学 意义与工程背景 Griffith sEnergyCriterion Aflawwouldpropagateinastressedmaterialonlywhen bydoingso itbroughtaboutareductioninelasticallystoredenergyWmorethansufficienttomeetthefreeenergyrequirementsofnewlyformedfracturesurfaces WhereA SurfaceareaofspecimenGc AmountofenergyrequiredtotearthroughaunitareaofthematerialFactor2 Twonewlyformedsurfaces Griffith理论的核心思想 1921年 Griffith晶体材料的理论强度 矛盾 真实材料的强度仅为理论值的 表面能密度 晶格间距 杨氏模量 材料的理论强度 Aflawwouldpropagateinastressedmaterialonlywhen bydoingso itbroughtaboutareductioninelasticallystoredenergyWmorethansufficienttomeetthefreeenergyrequirementsofnewlyformedfracturesurfaces Griffith裂纹 1913年 Inglis给出了关于含椭圆孔的无限大平面介质的数学解Griffith认为宏观材料强度的剧烈下降 主要原因在于材料中存在大量缺陷Griffith将Inglis的数学解中椭圆的一个轴趋近于零 得到Griffith裂纹 Griffith理论的核心思想 能量平衡的思想 裂纹扩展力 裂纹的扩展阻力 势能的释放提供 例如弹性能 形成新表面的表面能 或者塑性耗散能Orowan 断裂力学经典问题 中心穿透裂纹 板可视为无限大位移加载 上下端相对位移为 断裂力学经典问题 a问题等于b问题和c问题的叠加位移控制加载时 b的构形无变化 没有能量变化 因而在a中裂纹发生微小扩展时 问题a中的能量变化等于c中的能量变化 断裂力学经典问题 根据热力学第一定律 有 系统内能 动能 在准静态过程中可忽略 表面能 外力功 位移加载时 在裂纹扩展过程中 外力功为零 外界向系统的热量输入 断裂力学经典问题 假设系统与外界的热交换可以忽略假设材料为理想弹性 内能等于弹性应变能 则 或 断裂力学经典问题 c中表面能为c中断裂过程中所释放的弹性应变能为 线弹性时裂纹面法向张开位移与断裂面上均匀应力成正比 在最终应力下裂纹面的法向位移 裂纹面以外其他的表面能 裂纹面的表面能 断裂力学经典问题 假设板无限大 根据Inglis椭圆孔线弹性解 有 断裂力学经典问题 弹性应变能裂纹临界扩展条件下 外加应力与裂纹尺寸的关系 平面应力 平面应变 裂纹临界扩展的Griffith准则 给定应力下的临界裂纹半长 裂纹半长对应的临界应力 由Griffith脆性准则得到的承载能力与结构中的缺陷尺寸相关 断裂力学三角形 应力 缺陷 材性 Griffith得到的新的材料常数 Griffith将其判据改写以后 发现可以组合出一个新的常数 即载荷与裂纹尺寸的组合应为常数 表面能密度 等效模量 裂纹半长 能量释放率G Griffith理论揭示出脆断过程受控于应变能释放率 这一物理参量被称之为能量释放率 Griffith准则的能量释放率表示 Griffith准则是裂纹启裂的必要条件 此时裂纹处于临界状态 对于平衡态静止裂纹 不可能超出 裂纹起裂 能量释放率G G的量纲 N mG是一种广义能量力 与载荷 裂纹几何 材料性能和应力状态有关 对含半长为a中心裂纹的无穷大平板 可得 抵抗裂纹扩展的阻力 在理想脆断的情况下 抵抗裂纹扩展的阻力由形成扩展裂纹的新表面所需要的表面能提供 即 仅限于对理想脆断过程成立 裂纹扩展的稳定性条件 当裂纹处于临界状态时 需要利用稳定性条件来判定该裂纹是失稳扩展还是扩展中止 由力学分析决定 材料的断裂阻力 对理想脆断为零 对其它断裂过程 使用断裂阻力曲线 Griffith理论在非理想脆性材料中的推广 Irwin 1948 1957 和Orowan 1948 改进了Griffith的能量释放率理论 使之可以应用于具有轻度塑性的非理想脆性材料 Irwin认为 Griffith理论可以应用于工程准脆性材料 其条件为 裂纹尖端塑性变形区尺寸远远小于裂纹长度或其他特征尺寸 Griffith理论在非理想脆性材料中的推广 改进后的Griffith理论的材料临界裂纹扩展阻力为对于无限大板中的穿透直裂纹 临界裂纹半长和临界断裂应力为 裂纹扩展单位长度时 在裂纹尖端塑性区内消耗的塑性功 Griffith准则的意义 Griffith和其它学者的实验证实了Griffith准则的正确性 这一准则对于脆性金属也是适用的 Griffith理论虽然适用范围有限 但是它在科学史上首次将缺陷的特征尺寸引入材料强度与韧性的计算中 同时提出了固体的表面能对于理想脆性材料就是材料抵抗断裂的能力 Griffith的研究抓住了断裂现象的核心问题 后来的研究者提出的另外的断裂准则 都与Griffith准则等价 线弹性力学的平面问题和反平面剪切问题平面问题的复变函数表示应力组合与位移组合 在内 在上 或 在