断裂力学论文

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1、一基本概念1任何一门科学都是应一定的需耍而产生的，断裂力学也是如此。一捉到断裂，人们自然而然地就会联想到各种工程断裂事故。在断裂力学产生Z前，人们根据强度条件來设计构件，其基本思想就是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力，即。W［。］〜安全设计对确保构件安全工作也确实起到了重大的作用，至今也仍然是必不可少的。但是人们在长期的生产实践中，逐步认识到，在某些情况下，根据强度条件设计出的构件并不安全，断裂事故仍然不断发生，特别是高强度材料构件，焊接结构，处亦低温或腐蚀环境中的结构等，断裂事故就更加频繁。特别值得注意的是，有些断裂事故竟然发牛在。«［。］的条件下，用传统的安全设计观点

2、是无法解释的。于是人们认识到了传统的设计思想是有缺欠的，并且开始寻求更合理的设计途径。人们从大量的断裂事故分析屮发现，断裂都是起源于构件中有缺陷的地方。传统的设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际构件中总是存在着各种不同形式的缺陷。因此实际材料的强度大大低于理论模型的强度。断裂力学恰恰是为了弥补传统设计思想这一严重的缺陷而产生的。因此，给断裂力学下的泄义就是断裂力学是研究有裂纹(缺陷)构件断裂强度的一门学科。或者说是研究含裂纹构件裂纹的平衡、扩展和失稳规律，以保证构件安全工作的一门科学2组成由于研究的观点和出发点不同，断裂力学分为微观断裂力学断裂力学｛线弹性断裂力学宏观断

3、裂力学｛弹塑性断裂力学微观断裂力学研究原子位错等等比晶粒尺寸还小的微观结构的断裂过程，根据对这些过程的了解，建立起支配裂纹扩展和断裂的判据。宏观断裂力学在不涉及材料內部的断裂机理的条件卜-，通过连续介质力学分析和试件的实验做出断裂强度的估算与控制。其屮，线弹性断裂力学研究的对象是线弹性裂纹I古I体，认为裂纹体内各点的应力和应变的关系都是线性的，遵守Hook定律(oa£)。适用于塑性区的尺寸远小于裂纹的尺寸的悄况。弹塑性断裂力学则采用弹塑性力学的分析方法来分析裂纹固体，适用于裂纹尖端塑性区的寸接近或大于裂纹尺寸的情况。裂纹的概念实际构件屮的缺陷是多种多样的，主要包括缺陷：处焊接中

4、的气泡、未焊透槽加工中产生的刀痕、亥IJ孔冶炼小产生的夹渣、气裂纹〜统称为裂纹影响断裂力学的两大因素a.荷载大小b.裂纹长度考虑含有一条宏观裂纹的构件，随着服役吋间后使用次数的增加，裂纹总是愈来愈长。在工作载荷较高时，比较短的裂纹就冇可能发生断裂；在工作载荷较低时，比较长的裂纹才会带来危险。这表明表征裂端区应力变场强度的参最与载荷人小和裂纹长短启关，英至可能与构件的儿何形状有关。脆性断裂与韧性断裂韧度(toughness)：是指材料在断裂前的弹赠性变形屮吸收能量的能力。它是个能量的概念。脆性(brittle)和韧性(ductile)：—般是相对于韧度低或韧度高而言的，而韧度的高

5、低通常用冲击实验测量。高韧度材料比较不容易断裂，在断裂前往往有大量的塑性变形。如低强度钢，在断裂前必定伸长并颈缩，是塑性大、韧度高的金属。金、银比低强度钢更容易产生塑性变形，但是因为强度太低，因此吸收能量的能力还是不高的。玻璃和粉笔则是低韧度、低测性材料，断裂前儿乎没有变形。脆性断裂：一个带环形尖锐切口的低碳钢圆棒，受到轴向拉伸载荷的作用，在拉断吋，没有明显的颈缩塑性变形，断裂面比较平坦，而基本与轴向垂直，这是典型的脆性断裂。粉笔、玻璃以及环氧树脂、超高强度合金等的断裂都属于脆性断裂这一类。韧性断裂:若断裂前的切口根部发生了塑性变形，剩余截面的面积缩小(既发生颈缩)，段口可能呈

6、钳齿状，这种断裂一般是韧性断裂。前边捉到的低强度钢的断裂就属于韧性断裂。像金、银的圆棒试样，破坏前可颈缩至i条线那样细，这种破坏是大塑性破坏，不能称为韧性断裂。二基本理论1传统强度理论在现代断裂力学建立以前，机械零构件是根据传统的强度理论进行设计的，不论在机械零构件的哪一部分，设计应力的水平一般都不大于材料的屈服应力即6S半，"是设计应力"是安全系数，其值大于1;6是屈服应力，在等截面物体受到单向拉伸时,即为单向拉伸的屈服强度。2Griffith能量释放观点Griffith是本世纪二十年代英国著名的科学家，他在断裂物理方而有相当大的贡献，其屮最人的贡献要算提出了能量释放(ene

7、rgyrelease)的观点，以及根据这个观点而建立的断裂判据。以下要介绍根据Griffith观点而发展起來的弹性能释放理论，此理论在现代断裂力学中仍占有相当重要的地位。若只考虑脆性断裂，而裂端区的塑性变形可以忽略不计。则在准静态的情形下，裂纹扩展时，裂端区所释放出来的能量全部用來形成新的裂纹面积。换句话说,根据能量守恒定律，裂纹发生扩展的必要条件是裂端区要禅放的能量等于形成裂纹而积所需的能量。设每个裂端裂纹扩展量为Aa,则由能量守恒定律冇：G=2Ys.这就是著名的Griffith断裂判据。