斷裂力學的發展

現代斷裂理論大約是在1948—1957年間形成,它是在當時生產實踐問題的強烈推動下,在經典Griffith理論的基礎上發展起來的,上世紀60年代是其大發展時期。  我國斷裂力學工作起步至少比國外晚了20年,直到上世紀70年代,斷裂力學才廣泛引入我國,一些單位和科技工作者逐步開展了斷裂力學的研究和應用工作。  斷裂力學是起源于20世紀初期,發展于20世紀后期,并且仍在不斷發展和完善的一門科學。因此,它是具有前沿性和挑戰性的研究成果。  研究含裂紋物體的強度和裂紋擴展規律的科學。固體力學的一個分支。又稱裂紋力學。它萌芽于20世紀20年代A.A.格里菲斯對玻璃低應力脆斷的研究。1920年格氏發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會的Philosophical Transactions雜志上。他認為,材料內部有很多顯微裂紋,并從能量平衡出發得出了裂紋擴展的判據,一舉奠定了斷裂力學的基石。格氏1893年出生于倫敦,1911年畢業于曼島的一所中學,獲得獎學金進入利物浦大學讀機械工程,1914年以一等成績獲得學士學位,并獲得最高獎章。1915年,格氏到皇家航空研究中心工作,并與G.I. Taylor一起發表了用肥皂膜研究應力分布的開創性論文,該文獲得機械工程協會的金獎。同年,格氏獲得利物浦大學工程碩士學位。1921年,格氏以他的斷裂力學成名作獲得利物浦大學工程博士學位。其后,格氏歷任空軍實驗室首席科學家,航空研究中心工程部主管等職,在航空發動機設計方面做出了同樣卓越的貢獻,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年當選皇家學會院士,1960年退休,1963年辭世,享年70歲。

其后,國際上發生了一系列重大的低應力脆斷災難性事故,促進這方面的研究,并于50年代開始形成斷裂力學。根據所研究的裂紋尖端附近材料塑性區的大小,可分為線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學;根據所研究的引起材料斷裂的載荷性質,可分為斷裂(靜)力學和斷裂動力學。斷裂力學的任務是: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生斷裂,即建立斷裂準則;研究載荷作用過程中裂紋擴展規律;研究在腐蝕環境和應力同時作用下物體的斷裂(即應力腐蝕)問題。斷裂力學已在航空、航天、交通運輸、化工、機械、材料、能源等工程領域得到廣泛應用。

斷裂力學的研究內容

  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展過程。  3、裂紋擴展到什么程度物體會發生斷裂。  另外,為了工程方面的需要,還研究含裂紋的結構在什么條件下破壞;在一定荷載下,可允許結構含有多大裂紋;在結構裂紋和結構工作條件一定的情況下,結構還有多長的壽命等。

斷裂力學類型

1.線彈性斷裂力學

  應用線彈性理論研究物體裂紋擴展規律和斷裂準則。1921年格里菲斯通過分析材料的低應力脆斷,提出裂紋失穩擴展準則格里菲斯準則。1957年G.R.歐文通過分析裂紋尖端附近的應力場,提出應力強度因子的概念,建立了以應力強度因子為參量的裂紋擴展準則。線彈性斷裂力學可用來解決脆性材料的平面應變斷裂問題,適用于大型構件(如發電機轉子、較大的接頭、車軸等)和脆性材料的斷裂分析。實際上,裂紋尖端附近總是存在塑性區,若塑性區很小(如遠小于裂紋長度),則可采用線彈性斷裂力學方法進行分析。

2.彈塑性斷裂力學

  應用彈性力學、塑性力學研究物體裂紋擴展規律和斷裂準則,適用于裂紋體內裂紋尖端附近有較大范圍塑性區的情況。由于直接求裂紋尖端附近塑性區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)曲線法等近似或實驗方法進行分析。通常對薄板平面應力斷裂問題的研究,也要采用彈塑性斷裂力學。彈塑性斷裂力學在焊接結構的缺陷評定、核電工程的安全性評定、壓力容器和飛行器的斷裂控制以及結構物的低周疲勞和蠕變斷裂的研究等方面起重要作用。彈塑性斷裂力學的理論迄今仍不成熟,彈塑性裂紋的擴展規律還有待進一步研究。

3.斷裂動力學

采用連續介質力學方法,考慮物體慣性,研究固體在高速加載或裂紋高速擴展下的斷裂規律。斷裂動力學的主要研究內容為:①斷裂準則,包括裂紋在高速加載下的響應及起始和失穩擴展準則、高速擴展裂紋的分叉判據。②高速擴展裂紋尖端附近的應力應變場。③裂紋高速擴展的極限速度。④裂紋高速擴展的停止(止裂)原理。⑤高應變率條件下的材料特性及其對高速擴展裂紋阻力的影響。⑥裂紋高速擴展中的能量轉換。⑦高速碰撞下的侵徹和穿孔問題。斷裂動力學研究方法分理論分析和動態實驗兩方面。斷裂動力學已在冶金學、地震學、合成化學以及水壩工程、飛機和船舶設計、核動力裝置和武器裝備等方面得到一些實際應用,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.