斷裂力學論文

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1、一基本概念1任何一門科學都是應一定的需耍而產(chǎn)生的，斷裂力學也是如此。一捉到斷裂，人們自然而然地就會聯(lián)想到各種工程斷裂事故。在斷裂力學產(chǎn)生Z前，人們根據(jù)強度條件來設計構件，其基本思想就是保證構件的工作應力不超過材料的許用應力，即。W［。］?安全設計對確保構件安全工作也確實起到了重大的作用，至今也仍然是必不可少的。但是人們在長期的生產(chǎn)實踐中，逐步認識到，在某些情況下，根據(jù)強度條件設計出的構件并不安全，斷裂事故仍然不斷發(fā)生，特別是高強度材料構件，焊接結構，處亦低溫或腐蝕環(huán)境中的結構等，斷裂事故就更加頻繁。特別值得注意的是，有些斷裂事故竟然發(fā)牛在。?［。］的條件下，用傳統(tǒng)的安全設計觀點

2、是無法解釋的。于是人們認識到了傳統(tǒng)的設計思想是有缺欠的，并且開始尋求更合理的設計途徑。人們從大量的斷裂事故分析屮發(fā)現(xiàn)，斷裂都是起源于構件中有缺陷的地方。傳統(tǒng)的設計思想把材料視為無缺陷的均勻連續(xù)體，而實際構件中總是存在著各種不同形式的缺陷。因此實際材料的強度大大低于理論模型的強度。斷裂力學恰恰是為了彌補傳統(tǒng)設計思想這一嚴重的缺陷而產(chǎn)生的。因此，給斷裂力學下的泄義就是斷裂力學是研究有裂紋(缺陷)構件斷裂強度的一門學科?；蛘哒f是研究含裂紋構件裂紋的平衡、擴展和失穩(wěn)規(guī)律，以保證構件安全工作的一門科學2組成由于研究的觀點和出發(fā)點不同，斷裂力學分為微觀斷裂力學斷裂力學｛線彈性斷裂力學宏觀斷

3、裂力學｛彈塑性斷裂力學微觀斷裂力學研究原子位錯等等比晶粒尺寸還小的微觀結構的斷裂過程，根據(jù)對這些過程的了解，建立起支配裂紋擴展和斷裂的判據(jù)。宏觀斷裂力學在不涉及材料內(nèi)部的斷裂機理的條件卜-，通過連續(xù)介質力學分析和試件的實驗做出斷裂強度的估算與控制。其屮，線彈性斷裂力學研究的對象是線彈性裂紋I古I體，認為裂紋體內(nèi)各點的應力和應變的關系都是線性的，遵守Hook定律(oa￡)。適用于塑性區(qū)的尺寸遠小于裂紋的尺寸的悄況。彈塑性斷裂力學則采用彈塑性力學的分析方法來分析裂紋固體，適用于裂紋尖端塑性區(qū)的寸接近或大于裂紋尺寸的情況。裂紋的概念實際構件屮的缺陷是多種多樣的，主要包括缺陷：處焊接中

4、的氣泡、未焊透槽加工中產(chǎn)生的刀痕、亥IJ孔冶煉小產(chǎn)生的夾渣、氣裂紋?統(tǒng)稱為裂紋影響斷裂力學的兩大因素a.荷載大小b.裂紋長度考慮含有一條宏觀裂紋的構件，隨著服役吋間后使用次數(shù)的增加，裂紋總是愈來愈長。在工作載荷較高時，比較短的裂紋就冇可能發(fā)生斷裂；在工作載荷較低時，比較長的裂紋才會帶來危險。這表明表征裂端區(qū)應力變場強度的參最與載荷人小和裂紋長短啟關，英至可能與構件的兒何形狀有關。脆性斷裂與韌性斷裂韌度(toughness)：是指材料在斷裂前的彈贈性變形屮吸收能量的能力。它是個能量的概念。脆性(brittle)和韌性(ductile)：—般是相對于韌度低或韌度高而言的，而韌度的高

5、低通常用沖擊實驗測量。高韌度材料比較不容易斷裂，在斷裂前往往有大量的塑性變形。如低強度鋼，在斷裂前必定伸長并頸縮，是塑性大、韌度高的金屬。金、銀比低強度鋼更容易產(chǎn)生塑性變形，但是因為強度太低，因此吸收能量的能力還是不高的。玻璃和粉筆則是低韌度、低測性材料，斷裂前兒乎沒有變形。脆性斷裂：一個帶環(huán)形尖銳切口的低碳鋼圓棒，受到軸向拉伸載荷的作用，在拉斷吋，沒有明顯的頸縮塑性變形，斷裂面比較平坦，而基本與軸向垂直，這是典型的脆性斷裂。粉筆、玻璃以及環(huán)氧樹脂、超高強度合金等的斷裂都屬于脆性斷裂這一類。韌性斷裂:若斷裂前的切口根部發(fā)生了塑性變形，剩余截面的面積縮小(既發(fā)生頸縮)，段口可能呈

6、鉗齒狀，這種斷裂一般是韌性斷裂。前邊捉到的低強度鋼的斷裂就屬于韌性斷裂。像金、銀的圓棒試樣，破壞前可頸縮至i條線那樣細，這種破壞是大塑性破壞，不能稱為韌性斷裂。二基本理論1傳統(tǒng)強度理論在現(xiàn)代斷裂力學建立以前，機械零構件是根據(jù)傳統(tǒng)的強度理論進行設計的，不論在機械零構件的哪一部分，設計應力的水平一般都不大于材料的屈服應力即6S半，"是設計應力"是安全系數(shù)，其值大于1;6是屈服應力，在等截面物體受到單向拉伸時,即為單向拉伸的屈服強度。2Griffith能量釋放觀點Griffith是本世紀二十年代英國著名的科學家，他在斷裂物理方而有相當大的貢獻，其屮最人的貢獻要算提出了能量釋放(ene

7、rgyrelease)的觀點，以及根據(jù)這個觀點而建立的斷裂判據(jù)。以下要介紹根據(jù)Griffith觀點而發(fā)展起來的彈性能釋放理論，此理論在現(xiàn)代斷裂力學中仍占有相當重要的地位。若只考慮脆性斷裂，而裂端區(qū)的塑性變形可以忽略不計。則在準靜態(tài)的情形下，裂紋擴展時，裂端區(qū)所釋放出來的能量全部用來形成新的裂紋面積。換句話說,根據(jù)能量守恒定律，裂紋發(fā)生擴展的必要條件是裂端區(qū)要禪放的能量等于形成裂紋而積所需的能量。設每個裂端裂紋擴展量為Aa,則由能量守恒定律冇：G=2Ys.這就是著名的Griffith斷裂判據(jù)。