断裂力学的发展

现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成,它是在当时生产实践问题的强烈推动下,在经典Griffith理论的基础上发展起来的,上世纪60年代是其大发展时期。  我国断裂力学工作起步至少比国外晚了20年,直到上世纪70年代,断裂力学才广泛引入我国,一些单位和科技工作者逐步开展了断裂力学的研究和应用工作。  断裂力学是起源于20世纪初期,发展于20世纪后期,并且仍在不断发展和完善的一门科学。因此,它是具有前沿性和挑战性的研究成果。  研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科学。固体力学的一个分支。又称裂纹力学。它萌芽于20世纪20年代A.A.格里菲斯对玻璃低应力脆断的研究。1920年格氏发表了他那篇著名的论文:The phenomenon of rupture and flow in solids。该文次年刊登在皇家学会的Philosophical Transactions杂志上。他认为,材料内部有很多显微裂纹,并从能量平衡出发得出了裂纹扩展的判据,一举奠定了断裂力学的基石。格氏1893年出生于伦敦,1911年毕业于曼岛的一所中学,获得奖学金进入利物浦大学读机械工程,1914年以一等成绩获得学士学位,并获得最高奖章。1915年,格氏到皇家航空研究中心工作,并与G.I. Taylor一起发表了用肥皂膜研究应力分布的开创性论文,该文获得机械工程协会的金奖。同年,格氏获得利物浦大学工程硕士学位。1921年,格氏以他的断裂力学成名作获得利物浦大学工程博士学位。其后,格氏历任空军实验室首席科学家,航空研究中心工程部主管等职,在航空发动机设计方面做出了同样卓越的贡献,与他在断裂方面的名望相比,这些成就就少为人知了。格氏于1939年加盟劳斯莱思公司,1941年当选皇家学会院士,1960年退休,1963年辞世,享年70岁。

其后,国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故,促进这方面的研究,并于50年代开始形成断裂力学。根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小,可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学;根据所研究的引起材料断裂的载荷性质,可分为断裂(静)力学和断裂动力学。断裂力学的任务是:求得各类材料的断裂韧度;确定物体在给定外力作用下是否发生断裂,即建立断裂准则;研究载荷作用过程中裂纹扩展规律;研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂(即应力腐蚀)问题。断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源等工程领域得到广泛应用。

断裂力学的研究内容

  1、裂纹的起裂条件。  2、裂纹在外部载荷和(或)其他因素作用下的扩展过程。  3、裂纹扩展到什么程度物体会发生断裂。  另外,为了工程方面的需要,还研究含裂纹的结构在什么条件下破坏;在一定荷载下,可允许结构含有多大裂纹;在结构裂纹和结构工作条件一定的情况下,结构还有多长的寿命等。

断裂力学类型

1.线弹性断裂力学

  应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。1921年格里菲斯通过分析材料的低应力脆断,提出裂纹失稳扩展准则格里菲斯准则。1957年G.R.欧文通过分析裂纹尖端附近的应力场,提出应力强度因子的概念,建立了以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则。线弹性断裂力学可用来解决脆性材料的平面应变断裂问题,适用于大型构件(如发电机转子、较大的接头、车轴等)和脆性材料的断裂分析。实际上,裂纹尖端附近总是存在塑性区,若塑性区很小(如远小于裂纹长度),则可采用线弹性断裂力学方法进行分析。

2.弹塑性断裂力学

  应用弹性力学、塑性力学研究物体裂纹扩展规律和断裂准则,适用于裂纹体内裂纹尖端附近有较大范围塑性区的情况。由于直接求裂纹尖端附近塑性区断裂问题的解析解十分困难,因此多采用J积分法、COD(裂纹张开位移)法、R(阻力)曲线法等近似或实验方法进行分析。通常对薄板平面应力断裂问题的研究,也要采用弹塑性断裂力学。弹塑性断裂力学在焊接结构的缺陷评定、核电工程的安全性评定、压力容器和飞行器的断裂控制以及结构物的低周疲劳和蠕变断裂的研究等方面起重要作用。弹塑性断裂力学的理论迄今仍不成熟,弹塑性裂纹的扩展规律还有待进一步研究。

3.断裂动力学

采用连续介质力学方法,考虑物体惯性,研究固体在高速加载或裂纹高速扩展下的断裂规律。断裂动力学的主要研究内容为:①断裂准则,包括裂纹在高速加载下的响应及起始和失稳扩展准则、高速扩展裂纹的分叉判据。②高速扩展裂纹尖端附近的应力应变场。③裂纹高速扩展的极限速度。④裂纹高速扩展的停止(止裂)原理。⑤高应变率条件下的材料特性及其对高速扩展裂纹阻力的影响。⑥裂纹高速扩展中的能量转换。⑦高速碰撞下的侵彻和穿孔问题。断裂动力学研究方法分理论分析和动态实验两方面。断裂动力学已在冶金学、地震学、合成化学以及水坝工程、飞机和船舶设计、核动力装置和武器装备等方面得到一些实际应用,但理论尚不够成熟。

  参考书目

 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.