损伤与断裂力学第一章(矿大)高峰

1工程断裂力学力学课程层次刚体力学：理论力学，分析力学，多刚体力学，天体力学等理想变形体力学：材料力学，结构力学，弹塑性力学，振动力学，粘弹塑性力学等缺陷变形体力学：断裂力学，损伤力学，细观力学，岩石力学等课程内容断裂力学是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支，它将力学、物理学、材料学以及数学、工程科学紧密结合，是一门涉及多学科专业的力学专业课程。本课程将简要介绍断裂的工程问题、能量守恒与断裂判据、应力强度因子、线弹性和弹塑性断裂力学基本理论、裂纹扩展、J积分以及断裂问题的有限元方法等内容。第一章引言1.1关于断裂的工程问题1979年5月－个晴朗的下午，一架美国麦克唐纳•道格拉斯公司制造的DC－10型宽体客机，从芝加哥国际机场起飞。突然间，地面上有人看见飞机机翼下的一个发动机脱落了。不到几秒钟的时间，飞机就从低空掉下来，飞机上二百七十多人全部遇难，美国历史上最大的空难事件就这样发生了。至今为止，这样的空难仍然难以完全避免！！！飞机发动机为什么会脱落？美国航空管理局和飞机制造公司专家调查后发现:原来是连接发动机和机翼的连接件发生了断裂。断裂发生的过程：断裂是如此突然地发生，好象事先一点征兆都没有。其实不然，如果在飞机起飞前仔细探伤检查这个连接件，就有可能发现一条小裂纹，发展成这条小裂纹的时间恐怕并非一日。飞机每飞行一个航程，这个连接件就受到一个大循环的随机疲劳载荷。如果这个连接件在制造后安装时就已产生缺陷，则随飞机飞行次数和飞行时间的增加，缺陷就可能发展成大裂纹，并且越来越长，当裂纹扩展到一定长度时，连接件就突然发生断裂。断裂事故二次世界大战期间，特别是四十年代后期，美国曾建造了大约2500艘自由号型万吨轮，在服役期间有145艘断成两截，700艘左右严重破坏。其它：海洋平台发生崩溃压力容器发生破裂吊桥的钢索断裂天然气管道破裂房屋开裂倒塌气轮机叶片断裂……为什么？科学家与工程师关心的两个问题在设计、制造、安装和使用的整个过程中：如何建立评定带缺陷或裂纹运行的机械结构的安全性标准如何预测和防止断裂事故的发生目前人们还关心这些缺陷是如何产生和生长成裂纹的，这属于损伤力学和细观力学等学科范畴。航空工业中的关键问题近五十年来，随着宇航和航空工业的飞速发展，高强度合金（高强度的钢、铝和钛等合金）广泛应用。高强度合金：比强度相当高，即强度与质量密度的比值较一般金属或合金高得多。高强度合金的优点：用高强度合金制成的机械结构，通常体积较小、重量较轻、用料还可以大大节省。这个优点对宇航的飞行器，例如火箭、太空船、航天飞机和人造卫星等特别重要。航空航天是断裂力学应用最广泛、最深入的工业领域。高强度合金的缺点大部分高强度合金都比较脆，容易发生断裂；在腐蚀性环境介质中，甚至在相对湿度较高的环境中，就可能萌生出裂纹。由高强度合金所制成的机械结构发生断裂时的应力水平，往往远低于屈服应力。这些断裂问题用传统的强度理论，例如用屈服判据，是解释不了的。为什么？断裂力学的诞生当机械结构带有裂纹时，判断机械结构发生断裂的时机，不能用屈服判据，而应该寻求新的断裂判据。现代断裂力学（fracturemechanics）这门学科，就在这种背景下诞生了。从上世纪五十年代中期以来，断裂力学发展很快，目前线性理论部分已比较成熟，在工程方面，已广泛应用于宇航、航空、海洋、兵器、机械、化工和地质等许多领域。断裂力学的关键问题（一）1．多小的裂纹或缺陷是允许存在的，即此小裂纹或缺陷不会在预定的服役期间发展成断裂时的大裂纹？2．多大的裂纹就可能发生断裂，即用什么判据判断断裂发生的时机？3．从允许存在的小裂纹扩展到断裂时的大裂纹需要多长时间，即机械结构的寿命如何估算？以及影响裂纹扩展率的因素。4．在既能保证安全，又能避免不必要的停产损失，探伤检查周期应如何安排？5．万一检查时发现了裂纹，该如何处理？断裂力学的关键问题（二）1.什么材料比较不容易萌生裂纹？2.什么材料可以容许比较长的裂纹存在而不发断裂？3.什么材料抵抗裂纹扩展的性能较好？4.怎样冶炼、加工和热处理可以得到最佳效果？前五个问题可以用断裂力学的方法来解决；后面四个问题则属于材料或金属学的领域。因此，断裂是与力学、材料和工程应用有关的问题。应综合力学、材料学和工程应用等方面着手研究。解决断裂问题的思路为解决上面所提的工程问题和材料问题，对于含裂纹的受力机械零件或构件，必须先找到一个能表征裂纹端点区应力应变场强度(intensity)的参量，就象应力可以作为裂纹不存在时的表征参量一样。解决断裂问题的思路—科学假说（续）因为断裂的发生绝大多数都是由裂纹引起的，而断裂尤其是脆性断裂，一般就是裂纹的失稳扩展。裂纹的失稳扩展，通常由裂纹端点开始。因此，发生断裂的时机必然与裂端区应力应变场的强度有关。对于不含裂纹的物体，当某处的应力水平超过屈服应力，就要发生塑性变形；而对于含裂纹的物体，当某裂端表征应力应变场强度的参量达到临界值时，就要发生断裂。这个发生断裂的临界值很可能是材料常数，它既可表征材料抵抗断裂的性能，亦可用来衡量材料质量的优劣。影响断裂的两大因素载荷大小和裂纹长度考虑含有一条宏观裂纹的构件，随着服役时间后使用次数的增加，裂纹总是愈来愈长。在工作载荷较高时，比较短的裂纹就有可能发生断裂；在工作载荷较低时，比较长的裂纹才会带来危险。这表明表征裂端区应力变场强度的参量与载荷大小和裂纹长短有关，甚至可能与构件的几何形状有关。断裂力学研究内容随时间和裂纹长度的增长，构件强度从设计的最高强度逐渐地减少。假设在储备强度A点时，只有服役期间偶而出现一次的最大载荷才能使构件发生断裂；在储备强度B点时，只要正常载荷就会发生断裂。因此，从A点到B点这段期间就是危险期，在危险期中随时可能发生断裂。如果安排探伤检查的话，检查周期就不能超过危险期。安全期断裂力学研究内容问题是储备强度究竟是个什么样的参量？它与表征裂端区应力变场强度的参量有何关系？如何计算它？如何测量它？它随时间变化的规律如何？受到什么因素的影响？这一系列问题如能找到答案的话，则本节所提出的五个工程问题就有可能得到解决。断裂力学这门学科就是来解决这些问题的。1.2脆性断裂和韧性断裂韧度（toughness）：是指材料在断裂前的弹塑性变形中吸收能量的能力。它是个能量的概念。脆性（brittle）和韧性（ductile）：一般是相对于韧度低或韧度高而言的，而韧度的高低通常用冲击实验测量。高韧度材料比较不容易断裂，在断裂前往往有大量的塑性变形。如低强度钢，在断裂前必定伸长并颈缩，是塑性大、韧度高的金属。金、银比低强度钢更容易产生塑性变形，但是因为强度太低，因此吸收能量的能力还是不高的。玻璃和粉笔则是低韧度、低塑性材料，断裂前几乎没有变形。脆性与韧性的转变原因：应力状态、温度和微观断裂机制但是脆性断裂和韧性断裂的划分不能单考虑韧度高低这个因素。同一种材料一般是随裂纹的存在和长度的增加以及温度降低和构件截面积的增大，而增加脆性断裂的倾向。脆性断裂如图所示的一个带环形尖锐切口的低碳钢圆棒，受到轴向拉伸载荷的作用，在拉断时，没有明显的颈缩塑性变形，断裂面比较平坦，而且基本与轴向垂直，这是典型的脆性断裂。粉笔、玻璃以及环氧树脂、超高强度合金等的断裂都属于脆性断裂这一类。韧性断裂反过来说，若断裂前的切口根部发生了塑性变形，剩余截面的面积缩小（既发生颈缩），段口可能呈锯齿状，这种断裂一般是韧性断裂。前边提到的低强度钢的断裂就属于韧性断裂。象金、银的圆棒试样，破坏前可颈缩至一条线那样细，这种破坏是大塑性破坏，不能称为韧性断裂。韧性断裂与脆性断裂之比较脆性断裂时的载荷与变形量一般呈线性关系，在接近最大载荷时才有很小一段非线性关系。脆性断裂的发生是比较突然的，裂纹开始扩展的启裂点与裂纹扩展失去控制的失稳断裂点非常接近。裂纹扩展后，载荷即迅速下降，断裂过程很快就结束了。韧性断裂的载荷与变形量关系如图所示，有较长的非线性阶段，启裂后，裂纹可以缓慢地扩展一段时间，除非变形量增到失稳裂点，否则就不会发生失稳断裂。断裂力学划分线弹性断裂力学（linearelasticfracturemechanics）是线弹性力学的一门分支，它解决脆性断裂问题。弹塑性断裂力学（elastic－plasticfracturemechanics）则是弹塑性力学的一门分支，它解决韧性断裂问题。过去几十年的发展，线弹性断裂力学的理论和工程用已形成一套成熟、完整的体系；而弹塑性断裂力学也已接近成熟的阶段。它们在工程上的应用越来越广泛，并且取得了巨大的成功。断裂问题研究尺度的划分如果用长度的量级来划分，从原子尺寸到大型结构，都与断裂有关。在原子物理方面（10-8米以下）的断裂研究比较少较困难。在10-8到10-4米的微观方面是属于材料科学的领域，主要是研究金相组织、夹杂物、二相粒子、晶粒大小等与微裂纹、裂纹扩展和断裂的关系。从10-4到100米就是断裂力学的研究范围，包括小至高度强度合金的裂端塑性区，大至断裂力学实验试样，更大的尺寸就完全属于工程范围。按照裂纹扩展速度的划分按照裂纹扩展速度来分，断裂力学可依静止裂纹、亚临界裂纹扩展及失稳扩展和止裂这三个领域来研究。亚临界裂纹扩展和断裂后失稳扩展的主要区别，在于前者不但扩展速度较慢，而且如果除去使裂纹扩展的因素（例如卸载），则裂纹扩展可以立即停止，因而零构件仍然是安全的；失稳扩展则不同，扩展速度往往高达每秒数百米以上，就是立即卸载也不一定来得及防止最后的破坏。关于静止裂纹研究在静止的裂纹方面，我们主要对裂纹问题作应力力分析，即计算表征裂端应力场强度的参量，例如计算应力强度因子、能量释放率这一类的力学参量。为了确定某种材料何时才发生失稳断裂，我们必须测量断裂韧度。由裂纹问题的应力分析和已知此材料的断裂韧度，就可以基本解决第一节所提的第一和第二个工程问题，即计算出在某载荷下断裂时的裂纹大小。关于亚临界裂纹由亚临界裂纹扩展实验可以推测出此材料允许存在的微小缺陷以及零构件达到寿命。材料本身的成份、冶炼、加工、热处理等因素，又影响着材料本身的机械性能，即影响着断裂韧度和亚临界裂纹扩展速度。为什么要研究静止裂纹、亚临界裂纹和失稳扩裂纹？相应能解决什么问题？课外作业观察并记录带有裂纹的橡皮筋、建筑用钢筋、有机玻璃的长条形试件在受拉时的载荷—变形量关系。试件一端固定，一端受拉伸，变形量是指加载点的延伸量。