斷裂力學(xué)(1)教材

斷裂力學(xué)FractureMechanics第1章緒論

斷裂損傷理論及應(yīng)用尹雙增，清華大學(xué)出版社，1992斷裂理論基礎(chǔ)范天佑，科學(xué)出版社，2003

斷裂力學(xué)及其工程應(yīng)用李慶芬，哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998斷裂力學(xué)王鐸，廣西人民出版社,1982

斷裂力學(xué)/緒論參考教材第1章緒論 第2章裂紋尖端的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng) 第3章應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算 第4章平面應(yīng)變斷裂韌性KIC測(cè)試原理和方法第5章斷裂判據(jù) 第6章COD原理及其判據(jù)第7章J積分原理及其判據(jù)第8章斷裂力學(xué)在工程中的應(yīng)用第9章斷裂力學(xué)研究新進(jìn)展斷裂力學(xué)/緒論課程內(nèi)容第1章緒論

1斷裂力學(xué)的產(chǎn)生

斷裂力學(xué)是上世紀(jì)六十年代左右發(fā)展起來的新學(xué)科，是固體力學(xué)的一個(gè)重要分支，由于與工程技術(shù)有密切關(guān)系而發(fā)展迅速。斷裂力學(xué)/緒論

以往衡量材料或結(jié)構(gòu)是否安全是以材料的強(qiáng)度來判斷的，即：這種強(qiáng)度計(jì)算方法已有一百多年的歷史。但后來工程中發(fā)生的一系列低應(yīng)力破壞事故使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論發(fā)生動(dòng)搖。斷裂力學(xué)/緒論1950年美國北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體試驗(yàn)時(shí)爆炸破壞，高強(qiáng)度合金，傳統(tǒng)強(qiáng)度和韌性指標(biāo)合格，爆炸時(shí)工作壓力遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力：材料的屈服強(qiáng)度是1600MPa,而爆炸時(shí)的工作應(yīng)僅為700MPa。比利時(shí)剛建成的一座跨度為75.4米大橋，突然發(fā)生破壞，整座橋斷成三截。1938年-1943年期間，這樣破壞的焊接橋梁有40座之多。若干斷裂事故1947年，蘇聯(lián)4500m3石油儲(chǔ)罐，-43°C，底部和下部殼連接處，大量裂紋。（低溫、脆性、焊點(diǎn)應(yīng)力集中、內(nèi)外溫差）斷裂力學(xué)/緒論1963年，美國F-111飛機(jī)訓(xùn)練中，左翼脫落，飛機(jī)墜毀，而當(dāng)時(shí)飛行速度、負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。（熱處理不當(dāng)、機(jī)翼樞軸出現(xiàn)缺陷，疲勞載荷，裂紋）2005年2月，美國停飛了30架E型C-130“大力士”飛機(jī)，另外60架其他型號(hào)，包括某些E型、H型、H1型和HC-130P/N型飛機(jī)，美空軍也決定處于受限飛行狀態(tài)。中央機(jī)翼盒結(jié)構(gòu)在一系列檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)有裂紋，而且這些裂紋的數(shù)量在增多并且程度加劇斷裂力學(xué)/緒論 一系列嚴(yán)重災(zāi)難，這些事故中毀壞的結(jié)構(gòu)是經(jīng)過傳統(tǒng)強(qiáng)度理論嚴(yán)格設(shè)計(jì)的，為什么不斷出現(xiàn)斷裂呢？

（屈服），為屈服應(yīng)力，塑性材料（破壞），為強(qiáng)度極限，脆性材料循環(huán)加載，s-1為疲勞極限,n-1為循環(huán)載荷下的安全系數(shù)這些結(jié)構(gòu)大多由高與超高強(qiáng)度材料制造，高強(qiáng)度鋼屈服應(yīng)力(材料可按延伸率分為脆性和韌性兩大類，5％為界限

)事故原因分析，而普通鋼僅200MPa，且材料韌性也很好MPas14003s斷裂力學(xué)/緒論研究發(fā)現(xiàn)眾多工程事故都有以下共同特點(diǎn)：斷裂力學(xué)/緒論這表明傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法尚不足以保證構(gòu)件的安全。(1)破壞時(shí)工作應(yīng)力水平大大低于材料的屈服應(yīng)力;(2)破壞起源于構(gòu)件內(nèi)的微小裂紋。對(duì)微小裂紋的破壞機(jī)制需作專門研究，斷裂力學(xué)就是在這種情況下產(chǎn)生的。任務(wù)：

1)研究裂紋尖端附近的應(yīng)力變化。

2)掌握裂紋在荷載作用下的擴(kuò)展規(guī)律。

3)了解帶裂紋構(gòu)件的承載能力。

4)提出抗斷裂設(shè)計(jì)的方法，保證構(gòu)件安全。斷裂力學(xué)/緒論2

研究對(duì)象與任務(wù)

斷裂力學(xué)是研究帶裂紋體的強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律的一門學(xué)科。斷裂力學(xué)是常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的發(fā)展和補(bǔ)充，它并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論。應(yīng)用條件：

1)對(duì)象是帶裂紋和缺陷的物體

2)要有能使斷裂產(chǎn)生的應(yīng)力(一般為拉應(yīng)力)3)材料本身對(duì)脆斷敏感（韌性低）

材料產(chǎn)生裂紋后破壞應(yīng)力要比無缺陷材料的破壞強(qiáng)度低得多，

3應(yīng)力集中和斷裂破壞應(yīng)力集中問題：為什么？斷裂力學(xué)/緒論在相同外荷載作用下，裂紋尖端的應(yīng)力比無裂紋處要大得多，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋擴(kuò)展，構(gòu)件相連接的部分進(jìn)一步變少，最后導(dǎo)致構(gòu)件破壞。上圖中的材料無裂紋，應(yīng)力均勻通過，各截面應(yīng)力平均分布。而下圖由于有裂紋，材料斷開，應(yīng)力無法通過斷口，只能繞行，都擠在裂紋尖端處，發(fā)生應(yīng)力集中。斷裂力學(xué)/緒論4斷裂韌性和應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念構(gòu)件含有的裂紋越長(zhǎng)，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，構(gòu)件的斷裂應(yīng)力也就越低。實(shí)驗(yàn)表明：斷裂力學(xué)/緒論1)斷裂應(yīng)力與裂紋尺寸a的平方根成反比：2)斷裂應(yīng)力與裂紋形式、加載方式有關(guān)：Y為與裂紋形式、加載方式有關(guān)的量。

對(duì)于每一種特定工藝狀態(tài)下的材料來說：斷裂力學(xué)/緒論這個(gè)常數(shù)表明了材料抵抗斷裂的能力，稱之為斷裂韌性(或斷裂韌度)，用KIC表示。實(shí)踐表明：KIC

越大，材料抵抗斷裂的能力越大。它可用實(shí)驗(yàn)測(cè)出。常數(shù)應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念斷裂力學(xué)/緒論裂紋尖端附近一點(diǎn)A(r,θ)，r<<a，a為裂紋尺寸。由彈性理論有：ssxy2arA式中KI是與裂紋大小、形狀和s

有關(guān)的量，但和r、q無關(guān)。

當(dāng)r和θ一定時(shí)，裂端區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度完全由KⅠ值的大小來決定。因此稱KⅠ為Ⅰ型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子(stressintensityfactor)。斷裂力學(xué)/緒論斷裂力學(xué)/緒論KI隨著s的增大而增大，當(dāng)KI是達(dá)到某一臨界值時(shí)，裂紋尖端開始失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致試件斷裂。實(shí)踐表明，處于臨界狀態(tài)的應(yīng)力強(qiáng)度因子等于材料的斷裂韌性：上式稱為材料的斷裂判據(jù)。就如材料力學(xué)中的強(qiáng)度理論一樣，可用它對(duì)斷裂敏感的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。例：強(qiáng)度設(shè)計(jì)與斷裂韌性設(shè)計(jì)

若考慮到安全系數(shù)N