断裂力学绪论.ppt

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1、断裂力学断裂力学第一章 引 言n n1-1 1-1 关于断裂的工程问题关于断裂的工程问题 随着高强材料和大型结构的广泛应用，一些按照传统强度理论和随着高强材料和大型结构的广泛应用，一些按照传统强度理论和常规设计方法设计、制造并经严格检验合格的产品，先后发生了不少常规设计方法设计、制造并经严格检验合格的产品，先后发生了不少灾难性断裂事故。灾难性断裂事故。美国航空美国航空191191号班机是美国航号班机是美国航空公司一班从芝加哥奥黑尔国际机场空公司一班从芝加哥奥黑尔国际机场前往洛杉矶国际机场的定期航班。前往洛杉矶国际机场的定期航班。19791979年年5 5月月2525日，执行该飞行任务的日，执行

2、该飞行任务的一架一架DC-10DC-10型客机起飞时因左边引擎型客机起飞时因左边引擎突然脱落而失速坠毁，导致机上突然脱落而失速坠毁，导致机上271271人及地面人及地面2 2人全部遇难。以机上人员人全部遇难。以机上人员罹难人数计，是次事件至今仍为美国罹难人数计，是次事件至今仍为美国本土史上伤亡最多的空难。以总伤亡本土史上伤亡最多的空难。以总伤亡人数计，则是人数计，则是911911事件前美国本土伤事件前美国本土伤亡最惨重的空难亡最惨重的空难。四十年代后期美国曾四十年代后期美国曾建造大约建造大约25002500艘艘“自由号自由号”万吨轮，在服役期间有万吨轮，在服役期间有145145艘断成两截，艘断

3、成两截，700700艘艘左右受到严重的损坏。左右受到严重的损坏。19491949年，东俄亥俄煤气公司的年，东俄亥俄煤气公司的圆柱形液态天然气罐爆炸，使圆柱形液态天然气罐爆炸，使周围街市变为废墟。周围街市变为废墟。断裂破坏美国航空公司一架波音737-800型客机22日晚抵达牙买加首都金斯敦诺曼曼利国际机场时冲出跑道，致伤90多人(2009-12-22)伊朗在2011年1月9日又发生了一起不幸的航空事故。这次的伊朗空难死伤十分严重，这架由伊朗首度德黑兰飞往阿塞拜疆的波音727客机，在即将降落时由于天气恶劣，能见度低，被要求返航，在返航途中突然坠毁.75人死，31人伤发动机风扇转子中发动机风扇转子中

4、存在疲劳裂纹存在疲劳裂纹UA 232航班坠毁，1989,113人死亡断裂破坏20112011年年2 2月月1313日，美国海军日，美国海军“格格拉维利拉维利”号驱逐舰（号驱逐舰（DDG DDG 107107）在佛罗里达南部海域航行）在佛罗里达南部海域航行途中，桅杆上部发生断裂途中，桅杆上部发生断裂.所幸所幸无人员伤亡无人员伤亡2009-11-08,2009-11-08,伊朗籍货轮在浙江舟山触伊朗籍货轮在浙江舟山触礁断裂礁断裂宜宾小南门桥宜宾小南门桥(事故原因：吊杆断裂事故原因：吊杆断裂)断裂力学的产生背景断裂力学的产生背景传统的强度理论：传统的强度理论：传统的强度理论：传统的强度理论：传统的强

5、度设计是以材料力学为基础的。假设材料均质，传统的强度设计是以材料力学为基础的。假设材料均质，连续，各向同性，没有裂纹和缺陷，设计时只要满足传统连续，各向同性，没有裂纹和缺陷，设计时只要满足传统强度条件就安全。近些年，随着宇航和航空工业的飞速发强度条件就安全。近些年，随着宇航和航空工业的飞速发展，高强度合金使用量越来越大，而这些高强度合金制成展，高强度合金使用量越来越大，而这些高强度合金制成的机械机构比较脆，容易发生断裂；在腐蚀环境中，甚至的机械机构比较脆，容易发生断裂；在腐蚀环境中，甚至在在相对湿度较高的环境中，就有可能萌生出裂纹。这些在在相对湿度较高的环境中，就有可能萌生出裂纹。这些用传统的

6、强度理论，例如屈服判据，是解释不了的。因此用传统的强度理论，例如屈服判据，是解释不了的。因此需要寻求新的断裂判据。现代需要寻求新的断裂判据。现代断裂力学断裂力学就在这种背景下诞就在这种背景下诞生了。生了。1.1.多小的裂纹或者缺陷是允许存在的，即此小裂纹多小的裂纹或者缺陷是允许存在的，即此小裂纹或者缺陷不会在预定的服役期间发展成断裂的大或者缺陷不会在预定的服役期间发展成断裂的大裂纹？裂纹？2.2.多大的裂纹就可能发生断裂，即用什么判据来判多大的裂纹就可能发生断裂，即用什么判据来判断断裂发生的时机？断断裂发生的时机？3.3.从允许存在的小裂纹扩展到断裂时的大裂纹需要从允许存在的小裂纹扩展到断裂时

7、的大裂纹需要多长时间，即机械结构的寿命如何估算？多长时间，即机械结构的寿命如何估算？4.4.在既能保证安全，又能避免不必要的停产损失，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？探伤检查周期应如何安排？5.5.万一检查时发现了裂纹，该如何处理？万一检查时发现了裂纹，该如何处理？从工程观点看，如何防止或减少断裂事故的从工程观点看，如何防止或减少断裂事故的从工程观点看，如何防止或减少断裂事故的从工程观点看，如何防止或减少断裂事故的发生呢？首先提出以下发生呢？首先提出以下发生呢？首先提出以下发生呢？首先提出以下5 5 5 5个问题个问题个问题个问题n n从选材方面考虑，对材料与

8、断裂的关系则可以提从选材方面考虑，对材料与断裂的关系则可以提出下列四个问题：出下列四个问题：1.1.什么材料比较不容易萌发裂纹？什么材料比较不容易萌发裂纹？2.2.什么材料可以容许比较长的裂纹纯在而不发生断裂？什么材料可以容许比较长的裂纹纯在而不发生断裂？3.3.什么材料抵抗裂纹扩展的性能比较好？什么材料抵抗裂纹扩展的性能比较好？4.4.怎样冶炼、加工和热处理可以得到最佳效果？怎样冶炼、加工和热处理可以得到最佳效果？前前5 5个工程问题可以用断裂力学的方法来解决；后个工程问题可以用断裂力学的方法来解决；后4 4个问个问题属于材料工程或者金属学的领域。显然，断裂力学是题属于材料工程或者金属学的领

9、域。显然，断裂力学是与力学、材料和工程应用等有关的问题与力学、材料和工程应用等有关的问题。为解决上面所提的工程问题或材料问题，对于含有裂纹的受力机械零件或构件，必须找一个能表征裂纹端点区应力应变场强度的参量，就象应力可以作为裂纹不存在时的表征参量一样。而断裂的发生多数都是有裂纹引起的。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；而对于含有裂纹的物体，当某处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。如图1-1所示，在工作载荷较高时，比较短的裂纹就有可能发生断裂；反过来说，在工作载荷较低时，比较长的裂纹才会带来危险。如图1-2所示，构件的储备强度随着时间的增长

10、，从设计的最高强度逐渐地减小。假设在A点处，只有偶尔出现一次最大载荷才会发生断裂；而储备强度在B点时，只要正常载荷就会发生断裂。因此从A到B这段时间就是危险期，在危险期中随时都可能发生断裂问题是储备强度究竟是个什么养的参量？它与表征裂端区应力应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，则上面所提到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个问题的。断裂力学和材料力学的差别断裂力学和材料力学的差别 断裂力学的理论基础：断裂力学的理论基础：1.1.弹性力学弹性力学2.2.塑性力学塑性力学3.3.粘弹性

11、力学粘弹性力学 断裂力学是材料力学的发展和补充，但两者的设计思想断裂力学是材料力学的发展和补充，但两者的设计思想不同。断裂力学抛弃了物体的连续性假设不同。断裂力学抛弃了物体的连续性假设,而从物体中含而从物体中含有裂纹这一前提出发有裂纹这一前提出发,以弹性力学和塑性力学为理论工具以弹性力学和塑性力学为理论工具,确定含裂纹体的应力场、位移场分布确定含裂纹体的应力场、位移场分布,据此找出决定位移据此找出决定位移扩展的物理量扩展的物理量,同时同时,通过试验测定出材料抵抗裂纹扩展的通过试验测定出材料抵抗裂纹扩展的纯力纯力,并建立二者之间的关系并建立二者之间的关系,即建立断裂准则即建立断裂准则n n断裂问

12、题的分类：断裂问题的分类：线弹性断裂力学线弹性断裂力学脆性断裂脆性断裂 弹塑性断裂力学弹塑性断裂力学韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂1-2 脆性断裂和韧性断裂韧度：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，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。脆性断裂与韧性断裂的区别脆性断裂与韧性断裂的区别脆性断裂与韧性断裂的区别脆性断裂与韧性断裂的区别脆性断裂:在拉断时，没有明显的塑性变形，断裂面比较平坦，在拉断时，没有明显的塑性变形，断裂面比较平坦，而且基本与轴向垂直。（如粉笔、玻璃、环氧树脂、超高而且基本与轴向垂直。（如粉笔、玻璃、环氧树脂、超高强度

13、合金等）强度合金等）韧性断裂:拉断时，切口根部发生了塑性变形，剩余截面的面拉断时，切口根部发生了塑性变形，剩余截面的面积缩小，断口可能呈锯齿状。（如低强度钢）积缩小，断口可能呈锯齿状。（如低强度钢）1-3 小结n n断裂力学定义 断裂力学就是从材料或构件中存在的宏观裂纹这一点出发，应用弹性力学和塑性力学理论，研究材料或结构中裂纹产生和扩展的条件和规律的学科。或者，简言之，断裂力学就是研究含裂纹材料或结构的强度及裂纹扩展规律的一门学科。n n断裂力学的目的：就是应用弹塑性理论和新的实验技术，研究就是应用弹塑性理论和新的实验技术，研究裂纹尖端附近的应力、应变场和裂纹的扩展规律。裂纹尖端附近的应力、应变场和裂纹的扩展规律。其主要目的是解决工程问题，为国民经济建设服其主要目的是解决工程问题，为国民经济建设服务，为国防建设服务。务，为国防建设服务。n n断裂力学研究范围断裂力学研究范围从从1010-4-4 到到10100 0米就是断裂力学的研究范围，包括小至高强度合金米就是断裂力学的研究范围，包括小至高强度合金的裂端塑性区，大至断裂力学实验试样。更大尺寸就完全属于工的裂端塑性区，大至断裂力学实验试样。更大尺寸就完全属于工程范围。程范围。