断裂与损伤力学发展与理论.docx

1. 断裂与损伤力学的发展过程以及要解决的问题。 2. 材料疲劳损伤机理以及断裂力学基本分析方法。 3. 新材料复合材料的损伤以及断裂破坏基础理论。 1、断裂与损伤力学的发展过程以及要解决的问题 断裂力学的发展简史及要解决的问题断裂力学理论最早是在 1920 年提出。当时 Griffith 为了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度比理论强度低的原因,提出了在固体材料中或在材料的运行过程中存在或产生裂纹的设想,其内容是:结构体系内裂纹扩展,体系内总能量降低,降低的能量用于裂纹增加新自由表面的表面能,裂纹扩展的临界条件是裂纹扩展力(即应变能释放率)等于扩展阻力(裂纹扩展,要增加自由表面能而引起的阻力) 。很好地解释了玻璃的低应力脆断现象。计算了当裂纹存在时,板状构件中应变能的变化进而得出了一个十分重要的结果: ?a c?常数。其中, c?是裂纹扩展的临界应力;a为裂纹半长度。他成功的解释了玻璃等脆性材料的开裂现象但是应用于金属材料时却并不成功。 1944 年泽纳(Zener) 和霍洛蒙(Hollmon) 又首先把 Griffith 理论用于金属材料的脆性断裂。不久欧文(Irwin) 指出, Griffith 的能量平衡应该是体系内储存的应变能与表面能、塑性变形所做的功之间的能量平衡,并且还指出,对于延性大的材料,表面能与塑性功相比一般是很小的。同时把 G 定义为“能量释放率”或“裂纹驱动力”, 即裂纹扩展过程中增加单位长度时系统所提供的能量,或裂纹扩展单位面积系统能量的下降率。 194 9年 Orowam E 在分析了金属构件的断裂现象后对 Griffit h 的公式提出了修正,他认为产生裂纹所释放的应变能不仅能转化为表面能,也应转化为裂纹前沿的塑性应变功,而且由于塑性应变功比表面能大得多以至于可以不考虑表面能的影响,其提出的公式为?a c?? 2/1)/2(? EU 常数该公式虽然有所进步,但仍未超出经典的 Griffith 公式范围,而且同表面能一样,应变功 U是难以测量的,因而该公式仍难以应用在工程中。 20世纪 50年代, Irwin 又提出表征外力作用下,弹性物体裂纹尖端附近应力强度的一个参量一应力强度因子,建立以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则一应力强度因子准则(亦称 K准则)。其内容为:裂纹扩展的临界条件为 K1 = K1c , 其中 K1 为应力强度因子,可由弹性力学方法求得, K1c 为材料的临界应力强度因子或平面应变断裂韧度,可由试验测定。 Irwin 的另一贡献是,他还指出,能量方法相当于应力强度方法。 1963 年韦尔斯(Wells) 发表有关裂纹张开位移(COD) 的著名著作,提出以裂纹张开位移作为断裂参量判别裂纹失稳扩展的一个近似工程方法。其内容是:不管含裂纹体的形状、尺寸、受力大小和方式如何,当裂纹张开位移δ达到临界值 c?时,裂纹开始扩展。 c?是表征材料性能的常数,由试验得到。对于韧性材料,短裂纹平面应力断裂问题,特别是裂纹体内出现大范围屈服和全面屈服情况可采用此法。 1968 年赖斯(Rice) 提出围绕含裂纹体裂纹尖端的一个与路径无关的回路积分,定义为二维含裂纹体的 J积分。 J积分可用来描述裂纹尖端附近在非线性弹性情况下的应力应变场,建立 Jl = J1c 的断裂准则。 J1c 为表征材料断裂韧性的临界J积分值,可由试验确定。由于研究的观点和出发点不同,断裂力学分为微观断裂力学和宏观断裂力学。微观断裂力学是研究原子位错等晶体尺度内的断裂过程,宏观断裂力学是在不涉及材料内部断裂机理的条件下,通过连续介质力学分析和试样的实验作出断裂强度的估算与控制。宏观断裂力学通常又分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。线弹性断裂力学是应用线性弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。线弹性断裂力学可用来解决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。线弹性断裂力学还主要用于宇航工业,因为在宇航工业里减轻重量是非常重要的,所以必须采用高强度低韧性的金属材料。实际上对金属材料裂纹尖端附近总存在着塑性区,若塑性区很小(如远小于裂纹长度),经过适当的修正,则仍可以采用线弹性断裂力学进行断裂分析。目前,线弹性断裂力学已发展的比较成熟,但也还存在一些问题(如表面裂纹分析,复合型断裂准则,裂纹动力扩展等)有待进一步研究。弹塑性断裂力学是应用弹性力学、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,目前多采用 J积分法, COD 法, R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缺陷的评定,核电工程的安全性评定,