斷裂力學(xué)簡介

斷裂力學(xué)的發(fā)展

現(xiàn)代斷裂理論大約是在1948—1957年間形成,它是在當(dāng)時(shí)生產(chǎn)實(shí)踐問題的強(qiáng)烈推動(dòng)下,在經(jīng)典Griffith理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,上世紀(jì)60年代是其大發(fā)展時(shí)期。  我國斷裂力學(xué)工作起步至少比國外晚了20年,直到上世紀(jì)70年代,斷裂力學(xué)才廣泛引入我國,一些單位和科技工作者逐步開展了斷裂力學(xué)的研究和應(yīng)用工作。  斷裂力學(xué)是起源于20世紀(jì)初期,發(fā)展于20世紀(jì)后期,并且仍在不斷發(fā)展和完善的一門科學(xué)。因此,它是具有前沿性和挑戰(zhàn)性的研究成果。  研究含裂紋物體的強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律的科學(xué)。固體力學(xué)的一個(gè)分支。又稱裂紋力學(xué)。它萌芽于20世紀(jì)20年代A.A.格里菲斯對(duì)玻璃低應(yīng)力脆斷的研究。1920年格氏發(fā)表了他那篇著名的論文:The phenomenon of rupture and flow in solids。該文次年刊登在皇家學(xué)會(huì)的Philosophical Transactions雜志上。他認(rèn)為,材料內(nèi)部有很多顯微裂紋,并從能量平衡出發(fā)得出了裂紋擴(kuò)展的判據(jù),一舉奠定了斷裂力學(xué)的基石。格氏1893年出生于倫敦,1911年畢業(yè)于曼島的一所中學(xué),獲得獎(jiǎng)學(xué)金進(jìn)入利物浦大學(xué)讀機(jī)械工程,1914年以一等成績獲得學(xué)士學(xué)位,并獲得最高獎(jiǎng)?wù)隆?915年,格氏到皇家航空研究中心工作,并與G.I. Taylor一起發(fā)表了用肥皂膜研究應(yīng)力分布的開創(chuàng)性論文,該文獲得機(jī)械工程協(xié)會(huì)的金獎(jiǎng)。同年,格氏獲得利物浦大學(xué)工程碩士學(xué)位。1921年,格氏以他的斷裂力學(xué)成名作獲得利物浦大學(xué)工程博士學(xué)位。其后,格氏歷任空軍實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家,航空研究中心工程部主管等職,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面做出了同樣卓越的貢獻(xiàn),與他在斷裂方面的名望相比,這些成就就少為人知了。格氏于1939年加盟勞斯萊思公司,1941年當(dāng)選皇家學(xué)會(huì)院士,1960年退休,1963年辭世,享年70歲。

其后,國際上發(fā)生了一系列重大的低應(yīng)力脆斷災(zāi)難性事故,促進(jìn)這方面的研究,并于50年代開始形成斷裂力學(xué)。根據(jù)所研究的裂紋尖端附近材料塑性區(qū)的大小,可分為線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué);根據(jù)所研究的引起材料斷裂的載荷性質(zhì),可分為斷裂(靜)力學(xué)和斷裂動(dòng)力學(xué)。斷裂力學(xué)的任務(wù)是:求得各類材料的斷裂韌度;確定物體在給定外力作用下是否發(fā)生斷裂,即建立斷裂準(zhǔn)則;研究載荷作用過程中裂紋擴(kuò)展規(guī)律;研究在腐蝕環(huán)境和應(yīng)力同時(shí)作用下物體的斷裂(即應(yīng)力腐蝕)問題。斷裂力學(xué)已在航空、航天、交通運(yùn)輸、化工、機(jī)械、材料、能源等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

斷裂力學(xué)的研究內(nèi)容

  1、裂紋的起裂條件。  2、裂紋在外部載荷和(或)其他因素作用下的擴(kuò)展過程。  3、裂紋擴(kuò)展到什么程度物體會(huì)發(fā)生斷裂。  另外,為了工程方面的需要,還研究含裂紋的結(jié)構(gòu)在什么條件下破壞;在一定荷載下,可允許結(jié)構(gòu)含有多大裂紋;在結(jié)構(gòu)裂紋和結(jié)構(gòu)工作條件一定的情況下,結(jié)構(gòu)還有多長的壽命等。

斷裂力學(xué)類型

1.線彈性斷裂力學(xué)

  應(yīng)用線彈性理論研究物體裂紋擴(kuò)展規(guī)律和斷裂準(zhǔn)則。1921年格里菲斯通過分析材料的低應(yīng)力脆斷,提出裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展準(zhǔn)則格里菲斯準(zhǔn)則。1957年G.R.歐文通過分析裂紋尖端附近的應(yīng)力場,提出應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念,建立了以應(yīng)力強(qiáng)度因子為參量的裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則。線彈性斷裂力學(xué)可用來解決脆性材料的平面應(yīng)變斷裂問題,適用于大型構(gòu)件(如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、較大的接頭、車軸等)和脆性材料的斷裂分析。實(shí)際上,裂紋尖端附近總是存在塑性區(qū),若塑性區(qū)很小(如遠(yuǎn)小于裂紋長度),則可采用線彈性斷裂力學(xué)方法進(jìn)行分析。

2.彈塑性斷裂力學(xué)

  應(yīng)用彈性力學(xué)、塑性力學(xué)研究物體裂紋擴(kuò)展規(guī)律和斷裂準(zhǔn)則,適用于裂紋體內(nèi)裂紋尖端附近有較大范圍塑性區(qū)的情況。由于直接求裂紋尖端附近塑性區(qū)斷裂問題的解析解十分困難,因此多采用J積分法、COD(裂紋張開位移)法、R(阻力)曲線法等近似或?qū)嶒?yàn)方法進(jìn)行分析。通常對(duì)薄板平面應(yīng)力斷裂問題的研究,也要采用彈塑性斷裂力學(xué)。彈塑性斷裂力學(xué)在焊接結(jié)構(gòu)的缺陷評(píng)定、核電工程的安全性評(píng)定、壓力容器和飛行器的斷裂控制以及結(jié)構(gòu)物的低周疲勞和蠕變斷裂的研究等方面起重要作用。彈塑性斷裂力學(xué)的理論迄今仍不成熟,彈塑性裂紋的擴(kuò)展規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

3.斷裂動(dòng)力學(xué)

采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法,考慮物體慣性,研究固體在高速加載或裂紋高速擴(kuò)展下的斷裂規(guī)律。斷裂動(dòng)力學(xué)的主要研究內(nèi)容為:①斷裂準(zhǔn)則,包括裂紋在高速加載下的響應(yīng)及起始和失穩(wěn)擴(kuò)展準(zhǔn)則、高速擴(kuò)展裂紋的分叉判據(jù)。②高速擴(kuò)展裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場。③裂紋高速擴(kuò)展的極限速度。④裂紋高速擴(kuò)展的停止(止裂)原理。⑤高應(yīng)變率條件下的材料特性及其對(duì)高速擴(kuò)展裂紋阻力的影響。⑥裂紋高速擴(kuò)展中的能量轉(zhuǎn)換。⑦高速碰撞下的侵徹和穿孔問題。斷裂動(dòng)力學(xué)研究方法分理論分析和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)兩方面。斷裂動(dòng)力學(xué)已在冶金學(xué)、地震學(xué)、合成化學(xué)以及水壩工程、飛機(jī)和船舶設(shè)計(jì)、核動(dòng)力裝置和武器裝備等方面得到一些實(shí)際應(yīng)用,但理論尚不夠成熟。

  參考書目

 H.Liebowitz ed.,Fracture, Academic Press, NewYork,1968 & 1969.

 W.S.Pellini,Principles of Structural Integrity Technology,Office of Naval Research,USA, 1976.

 W.A.Wood,The Study of Metal Structures and their Mechanical Properties, Pergamon Press,Oxford,1971.