斷裂和損傷力學(xué)發(fā)展和理論

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1、1.斷裂與損傷力學(xué)的發(fā)展過程以及要解決的問題。2.材料疲勞損傷機(jī)理以及斷裂力學(xué)基本分析方法。3.新材料復(fù)合材料的損傷以及斷裂破壞基礎(chǔ)理論。1、斷裂與損傷力學(xué)的發(fā)展過程以及要解決的問題1.1斷裂力學(xué)的發(fā)展簡史及要解決的問題斷裂力學(xué)理論最早是在1920年提出。當(dāng)時Griffith為了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的實際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低的原因，提出了在固體材料中或在材料的運(yùn)行過程中存在或產(chǎn)生裂紋的設(shè)想，其內(nèi)容是：結(jié)構(gòu)體系內(nèi)裂紋擴(kuò)展，體系內(nèi)總能量降低，降低的能量用于裂紋增加新自由表面的表面能，裂紋擴(kuò)展的臨界條件是裂紋擴(kuò)展力(即應(yīng)變能釋放率)等于擴(kuò)展阻力(裂紋擴(kuò)展，

2、要增加自由表面能而引起的阻力)。很好地解釋了玻璃的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。計算了當(dāng)裂紋存在時，板狀構(gòu)件中應(yīng)變能的變化進(jìn)而得出了一個十分重要的結(jié)果：常數(shù)。其中，是裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力；a為裂紋半長度。他成功的解釋了玻璃等脆性材料的開裂現(xiàn)象但是應(yīng)用于金屬材料時卻并不成功。1944年澤納(Zener)和霍洛蒙(Hollmon)又首先把Griffith理論用于金屬材料的脆性斷裂。不久歐文(Irwin)指出，Griffith的能量平衡應(yīng)該是體系內(nèi)儲存的應(yīng)變能與表面能、塑性變形所做的功之間的能量平衡，并且還指出，對于延性大的材料，表面能與塑性功相比一般是很小的。同時把G定

3、義為“能量釋放率”或“裂紋驅(qū)動力”，即裂紋擴(kuò)展過程中增加單位長度時系統(tǒng)所提供的能量，或裂紋擴(kuò)展單位面積系統(tǒng)能量的下降率。1949年OrowamE在分析了金屬構(gòu)件的斷裂現(xiàn)象后對Griffith的公式提出了修正，他認(rèn)為產(chǎn)生裂紋所釋放的應(yīng)變能不僅能轉(zhuǎn)化為表面能，也應(yīng)轉(zhuǎn)化為裂紋前沿的塑性應(yīng)變功，而且由于塑性應(yīng)變功比表面能大得多以至于可以不考慮表面能的影響，其提出的公式為常數(shù)該公式雖然有所進(jìn)步，但仍未超出經(jīng)典的Griffith公式范圍，而且同表面能一樣，應(yīng)變功U是難以測量的，因而該公式仍難以應(yīng)用在工程中。20世紀(jì)50年代，Irwin又提出表征外力作用下，彈性物

4、體裂紋尖端附近應(yīng)力強(qiáng)度的一個參量一應(yīng)力強(qiáng)度因子，建立以應(yīng)力強(qiáng)度因子為參量的裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則一應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則(亦稱K準(zhǔn)則)。其內(nèi)容為：裂紋擴(kuò)展的臨界條件為K1＝K1c，其中K1為應(yīng)力強(qiáng)度因子，可由彈性力學(xué)方法求得，K1c為材料的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子或平面應(yīng)變斷裂韌度，可由試驗測定。Irwin的另一貢獻(xiàn)是，他還指出，能量方法相當(dāng)于應(yīng)力強(qiáng)度方法。1963年韋爾斯(Wells)發(fā)表有關(guān)裂紋張開位移(COD)的著名著作，提出以裂紋張開位移作為斷裂參量判別裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的一個近似工程方法。其內(nèi)容是：不管含裂紋體的形狀、尺寸、受力大小和方式如何，當(dāng)裂紋張開位移δ達(dá)到臨界值

5、時，裂紋開始擴(kuò)展。是表征材料性能的常數(shù)，由試驗得到。對于韌性材料，短裂紋平面應(yīng)力斷裂問題，特別是裂紋體內(nèi)出現(xiàn)大范圍屈服和全面屈服情況可采用此法。1968年賴斯(Rice)提出圍繞含裂紋體裂紋尖端的一個與路徑無關(guān)的回路積分，定義為二維含裂紋體的J積分。J積分可用來描述裂紋尖端附近在非線性彈性情況下的應(yīng)力應(yīng)變場，建立Jl＝J1c的斷裂準(zhǔn)則。J1c為表征材料斷裂韌性的臨界J積分值，可由試驗確定。由于研究的觀點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)不同，斷裂力學(xué)分為微觀斷裂力學(xué)和宏觀斷裂力學(xué)。微觀斷裂力學(xué)是研究原子位錯等晶體尺度內(nèi)的斷裂過程，宏觀斷裂力學(xué)是在不涉及材料內(nèi)部斷裂機(jī)理的條件下

6、，通過連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析和試樣的實驗作出斷裂強(qiáng)度的估算與控制。宏觀斷裂力學(xué)通常又分為線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)。線彈性斷裂力學(xué)是應(yīng)用線性彈性理論研究物體裂紋擴(kuò)展規(guī)律和斷裂準(zhǔn)則。線彈性斷裂力學(xué)可用來解決材料的平面應(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。線彈性斷裂力學(xué)還主要用于宇航工業(yè)，因為在宇航工業(yè)里減輕重量是非常重要的，所以必須采用高強(qiáng)度低韌性的金屬材料。實際上對金屬材料裂紋尖端附近總存在著塑性區(qū)，若塑性區(qū)很小(如遠(yuǎn)小于裂紋長度)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男拚?，則仍可以采用線彈性斷裂力學(xué)進(jìn)行斷裂分析。目前，線彈性斷裂

7、力學(xué)已發(fā)展的比較成熟，但也還存在一些問題(如表面裂紋分析，復(fù)合型斷裂準(zhǔn)則，裂紋動力擴(kuò)展等)有待進(jìn)一步研究。彈塑性斷裂力學(xué)是應(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，目前多采用J積分法，COD法，R曲線法等近似或?qū)嶒灧椒ㄟM(jìn)行分析。通常對薄板平面應(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)缺陷的評定，核電工程的安全性評定，壓力容器、管道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方面起重要作用。彈塑性斷裂力學(xué)雖取得

8、一定進(jìn)展，但其理論迄今仍不成熟，彈塑性裂紋體的擴(kuò)展規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。目前主要的研究內(nèi)容有：1、裂紋的起裂