強(qiáng)度理論與方法(5)—線彈性斷裂力學(xué)緒論、斷裂力學(xué)的內(nèi)容、任務(wù)與研究方法●60年代開(kāi)始發(fā)展,固體力學(xué)新分支;●有微觀斷裂力學(xué)與宏觀斷裂力學(xué)之分;●微觀斷裂力學(xué)從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā),研究斷裂過(guò)程的物理本質(zhì)如材料缺陷的成核、斷裂的微觀機(jī)理等,屑固體物理的范疇?！窈暧^斷裂力學(xué)從宏觀的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)角度出發(fā),研究含缺陷下宏觀裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)開(kāi)裂、傳揚(yáng)和止裂規(guī)律宏觀裂紋指材料制造或加工及使用過(guò)程中形成的宏觀尺度(10m以上)的類裂紋缺陷。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中這種裂紋的存在是難免的斷裂力學(xué)分支:●線彈性斷裂力學(xué)脆性斷裂的規(guī)律●彈塑性斷裂力學(xué)韌性斷裂規(guī)律●斷裂動(dòng)力學(xué)快速加載或裂紋快速擴(kuò)展時(shí)的斷裂問(wèn)題界面斷裂力學(xué)多相物質(zhì)組成的新材料(如高強(qiáng)度合金、陶瓷纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料)的相間界面裂紋擴(kuò)展規(guī)律斷裂力學(xué)的任務(wù):●研究裂紋體的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)與位移場(chǎng),尋找控制材料開(kāi)裂的物理參量;●研究材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力——韌性指標(biāo)的變化規(guī)律,確定其數(shù)值及測(cè)定方法;●建立裂紋擴(kuò)展的臨界條件斷裂準(zhǔn)則;●含裂紋的各種幾何構(gòu)形在不同荷載作用下,控制材料開(kāi)裂的物理參量的計(jì)算。斷裂力學(xué)的研究方法:從彈性或彈塑性力學(xué)理論出發(fā),把裂紋作為一種邊界條件,考察裂紋頂端的應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)交場(chǎng)和位移場(chǎng),設(shè)法建立這些場(chǎng)與控制斷裂的物理參量的關(guān)系和裂紋尖端附近的局部斷裂條件。這種連續(xù)介質(zhì)模型仍是一種理想的模型,在遠(yuǎn)離裂紋尖端的區(qū)域是合適的,而在裂紋尖端附近的小區(qū)域(原子或晶體結(jié)構(gòu)的尺度范圍)是否合適,還需深入到微觀領(lǐng)域,弄清微觀的斷裂機(jī)理,才能更好地了解力學(xué)因素在裂紋尖端的斷裂過(guò)程中是如何發(fā)揮作用的,才能深入了解宏觀斷裂的現(xiàn)象。斷裂力學(xué)中的幾個(gè)基本概念Gift格里菲期2裂紋材料在生產(chǎn)、加工和使用中會(huì)產(chǎn)生缺陷和裂紋,如冾煉、鑄骸、焊接、熱處理、中子輻射、氫的滲入等。夾雜物、空穴、切口都是缺陷,它們?cè)诩舛颂幍那拾霃讲粸榱?。?duì)于類裂紋型的缺陷可以簡(jiǎn)化為裂紋,認(rèn)為其尖端處的曲率半徑等于零。這樣的簡(jiǎn)化是偏于安全的,把這種型紋稱為Griffth(格里菲斯)裂紋?！窳鸭y種類按其在構(gòu)件中的位置可分為貫穿裂紋穿透板厚的裂紋)、表面裂紋、深埋裂紋、角裂紋等程↑σ個(gè)σ個(gè)σ常見(jiàn)W饗紋↓中心裂紋邊裂紋表面裂紋●裂紋基本類型根據(jù)裂紋受力情況,裂紋分為三種基本類型張開(kāi)型滑開(kāi)型撕開(kāi)型●斷裂方式同一材料可能發(fā)生脆性斷裂,也可能發(fā)生韌性斷裂,與受力狀態(tài)、溫度、應(yīng)變速率、截面厚度等有關(guān)。平面應(yīng)變面應(yīng)面應(yīng)力平面庫(kù)力三、發(fā)展簡(jiǎn)史線彈性斷裂力學(xué)●1913年,Ing{ls(英格列斯)將物體內(nèi)缺陷理想化為橢圓形切口,用線彈性理論計(jì)算了含橢圓孔無(wú)限大板受均勻拉伸的問(wèn)題,按應(yīng)力集中的觀點(diǎn)解釋了材料實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度是由于固體材料存在缺陷的緣故,●1921年,A.A.Griffith用彈性體能量平衡的觀點(diǎn)研究了玻璃、陶瓷等脆性材料中的裂紋擴(kuò)展問(wèn)題,提出了脆性材料裂紋擴(kuò)展的能量準(zhǔn)則1955年,C.R.Irwin(歐文)提出應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度觀點(diǎn)和應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則與Gawith能量準(zhǔn)則構(gòu)成了線彈性斷裂力學(xué)的核心內(nèi)容?！?963年,F.Erdogan(艾多甘)和G.CSih(薛昌明)提出混合型裂紋擴(kuò)展問(wèn)題