RACTURE MECHANICS_CHAP1-INtroduction

1、Fracture MechanicsFracture MechanicsBy WANG LiWANG LiDepartment of Civil Engineering,Henan Polytechnic UniversityNov.-Dec.,2014,Jiaozuo,ChinaChap 1 IntroductionChap 1 Introduction1 Engineering Disasters1.Shipwrecks1.Shipwrecks19431947年，美国近年，美国近500艘全焊船中发生了艘全焊船中发生了1000多起脆性破坏，有的甚多起脆性破坏，有的甚至断为两截。至断为两截。1

2、 Engineering Disasters2.Tank leaking2.Tank leaking1947年苏联年苏联4500m3的大型油罐底部和下部的大型油罐底部和下部的壳连接处，在气温降到的壳连接处，在气温降到-43时形成大量时形成大量裂纹，造成储罐的破坏。裂纹，造成储罐的破坏。1 Engineering Disasters3. Engine explosion3. Engine explosion20世纪世纪50年代初，美国北极星导弹固体燃年代初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸。经过检验，料发动机壳体在试验时发生爆炸。经过检验，传统的强度和韧性指标全部合格，而且爆炸传

3、统的强度和韧性指标全部合格，而且爆炸时的工作应力远低于材料许用应力，事后分时的工作应力远低于材料许用应力，事后分析认为，破坏是由宏观裂纹引起的。析认为，破坏是由宏观裂纹引起的。1 Engineering Disasters4. Air crash4. Air crash1969年美国年美国F-111飞机在执行飞行训练飞机在执行飞行训练途中，做投弹恢复动作时，左翼脱落，途中，做投弹恢复动作时，左翼脱落，导致飞机坠毁。导致飞机坠毁。2 What we learn from those?1. All the accidents arise from macrocracks formed 1. All

4、 the accidents arise from macrocracks formed in stucture and components. in stucture and components. 2. Which should be in safe state in the view of 2. Which should be in safe state in the view of Mechanics of materialsMechanics of materials. .3. How and where the macrocrack come into being?3. How a

5、nd where the macrocrack come into being?Growth from the microdefects which are inherited in Growth from the microdefects which are inherited in the materials as they are formed. the materials as they are formed. So the macrocrack are almost unavoidable.So the macrocrack are almost unavoidable.4.4. T

6、he specialized attentions should be paid to problem of The specialized attentions should be paid to problem of crack growth prediction, prevention and treatment.crack growth prediction, prevention and treatment.So the So the Fracture MechanicsFracture Mechanics come into being. come into being. 3 A

7、whole fracture processA-Microcracks evolutionA-Microcracks evolutionB-LocalizationB-LocalizationC-Macrocrack nucleationC-Macrocrack nucleationD-Subscritical crack growthD-Subscritical crack growthE-Crack unstable progationE-Crack unstable progation R2 R334 Rock fracture , faults and earthquakesFract

8、ure Mechanics Fracture Mechanics has a wide has a wide application prospect.application prospect.5 Histroy of fracture mechanicsp1913年，年，Inglis发表了无限大板中含有穿透板厚的椭圆孔的弹性力学精确分析解椭圆孔的弹性力学精确分析解。p1920年，年，Griffith在研究玻璃与陶瓷这类脆性材料断裂时，他认为裂纹的存在与传播是导致断裂的原因，利用能量原理能量原理，研究裂纹的稳定问题。他的一个大胆创新是个大胆创新是提出了固体表面能的概念提出了固体表面能的概念，即

9、裂纹出现使固体材料出现了新表面，此表面同液体表面一样，具有表面能，系统所释放的应变能U的一部分将转化成表面能。这是断裂力学的里程碑事件。这是断裂力学的里程碑事件。p1948年年Orowan指出，金属材料断裂前会发生显著的塑性变形，裂纹体释放出来的能量相当大一部分转化成裂纹附近的塑性变形功塑性变形功。此物理量是耗散性的，同表面能一样，对裂纹扩展起到阻止作用对裂纹扩展起到阻止作用。因而Orowan对Griffith的判据作如下修正。p几乎与Orowan同时，Irwin经过10年的艰苦探索之后，也于1948年年提出对Griffith理论的修正，他引进裂纹能量释放率裂纹能量释放率G，或裂纹扩展力，进而

10、建议作为裂纹临界平衡的判据。Irwin判据的提出，是线性弹性断裂力学诞生的标志是线性弹性断裂力学诞生的标志，是对Griffith理论的重大发展。pIrwin判据提出的最初10年，未取得显著进展，原因是 的计算并不方便，因为能量是与整个结构有关的量。与此同时，许多力学家和数学家相继发现了裂纹顶端附近应力裂纹顶端附近应力的奇异性的奇异性，即裂纹顶端建立极坐标系 ，应力具有渐进性质。Irwin分析了这种性质，并且于1957年提出一个新的物理量应力强度因子应力强度因子 K。Irwin 判据的建立和及其有效，标志着线性弹性断裂力学最终建立起来。标志着线性弹性断裂力学最终建立起来。p从1920年经典Gri

11、ffith理论到1960年前后断裂力学建立，经历了大约40年的艰苦探索，期间生产实践的要求是促使其诞生的动力诞生的动力，新的物理思想新的物理思想（表面能、应力强度因子等）使人们对断裂现象规律取得突破性进展，而凝聚力学家力学家和数学家数学家心血和智慧的弹性力学裂纹解是这门科学发展的基础，三个要素缺一不可三个要素缺一不可。非线性断裂力学（弹塑性断裂力学）的发展非线性断裂力学（弹塑性断裂力学）的发展pDugale(1960)提出了一个条形塑性区简化模型条形塑性区简化模型pBarenblatt(1962)提出了“吸附力吸附力“模型模型，该模型认为裂纹尖端实际不存在应力奇异性。p英国学者Wells提出了

12、COD，即裂纹顶端张开位移，作为裂纹扩展的判断指标。p1967年美国的J.R.Rice和原苏联的G.P.Cherepanov提出了J积分积分，作为断裂扩展判据。这些内容着重处理材料断裂的塑性效应，统称为弹塑性断裂力学，又称为非线性断裂力学。6 Development of fracture mechanics13 th international conference of fracture7 Outline of the lecturexyxyChap1 Stress analysis1.1Method of K-M Stress function1.2 Method of Westergard Stress function1.3 Stress field at the tip of the crack1.4 Displacements of the crack surfacesChap2 Linear elastic fracture mechanics2.1 Stress Intensity factor2.2 Energy principle of fracture propagation2.3 Fracture criterion2.4 Size estimation of small plastic zone at the crack tipsChap