断裂力学

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  断裂力学(汉语拼音:Duan lie li xue;英语:fracture mechanics),研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科学。固体力学的一个分支。又称裂纹力学。

形成与发展

  它萌芽于20世纪20年代A.A.格里菲斯对玻璃低应力脆断的研究。其后,国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故,促进这方面的研究,并于50年代开始形成断裂力学。

分类

  根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小,可分为线弹性断裂力学弹塑性断裂力学;根据所研究的引起材料断裂的载荷性质,可分为断裂(静)力学断裂动力学

  断裂力学的任务是:求得各类材料的断裂韧度;确定物体在给定外力作用下是否发生断裂,即建立断裂准则;研究载荷作用过程中裂纹扩展规律;研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂(即应力腐蚀)问题。断裂力学已在航空航天、交通运输、化工机械材料能源等工程领域得到广泛应用。

线弹性断裂力学

  应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。1921年格里菲斯通过分析材料的低应力脆断,提出裂纹失稳扩展准则——格里菲斯准则。1957年G.R.欧文通过分析裂纹尖端附近的应力场,提出应力强度因子的概念,建立了以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则。线弹性断裂力学可用来解决脆性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。实际上,裂纹尖端附近总是存在塑性区,若塑性区很小(如远小于裂纹长度),则可采用线弹性断裂力学方法进行分析。

弹塑性断裂力学

  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,适用于裂纹体内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,因此多采用J积分法COD(裂纹张开位移)法R(阻力)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的缺陷评定、核电工程的安全性评定、压力容器和飞行器的断裂控制以及结构物的低周疲劳和蠕变断裂的研究等方面起重要作用。弹塑性断裂力学的理论迄今仍不成熟,弹塑性裂纹的扩展规律还有待进一步研究。

断裂动力学

  采用连续介质力学方法,考虑物体惯性,研究固体在高速加载或裂纹高速扩展下的断裂规律。

  断裂动力学的主要研究内容为:①断裂准则,包括裂纹在高速加载下的响应及起始和失稳扩展准则、高速扩展裂纹的分叉判据。②高速扩展裂纹尖端附近的应力应变场。③裂纹高速扩展的极限速度。④裂纹高速扩展的停止(止裂)原理。⑤高应变率条件下的材料特性及其对高速扩展裂纹阻力的影响。⑥裂纹高速扩展中的能量转换。⑦高速碰撞下的侵彻和穿孔问题。断裂动力学研究方法分理论分析和动态实验两方面。断裂动力学已在冶金学地震学合成化学以及水坝工程飞机船舶设计核动力装置武器装备等方面得到一些实际应用,但理论尚不够成熟。

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