断裂力学论文.docx

中国矿业大学
断裂力学课程报告
课程总结及创新应用
XXX
2014/5/7
班级:工程力学XX班
学号:0211XXXX
断裂力学结课论文
一、学科简介
学科综述
结构的破坏控制一直是工程设计的关键所在。工程构件中难免有裂纹,从而会产生应力集中、结构失效等问题。裂纹既可能是结构零件使用前就存在的,也可能是结构在使用过程中产生的。但裂纹的存在并不意味着构件的报废,而是要求我们能准确地预测含裂纹构件的使用寿命或剩余强度。针对脆性材料的研究已有完善的弹性理论方法,并获得了广发的应用。但对于工程中许多由韧性较好的中、低强度金属材料制成的构件,往往在裂纹处先经历大量的塑性变形,然后才发生断裂破坏或失稳等。这说明,韧性好的金属材料有能力在一定程度上减弱裂纹的危险,并可以增大结构零件的承载能力或延长器使用寿命,这也是韧性材料的优点所在。但与此同时,这给预测强度的力学工作者带来了更复杂的问题,即不可逆的非塑性变形,这也是开展工程构架弹塑性变形的原因之一。
因而,裂纹的弹塑性变形研究具有广泛的工程背景和重要的理论意义。作为研究裂纹规律的一门学科,即断裂力学,它是50年代开始蓬勃发展起来的固体力学新分支,是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支,被广泛地应用于航海、航空、兵器、机械、化工和地质等诸多领域,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。
断裂力学有微观断裂力学与宏观断裂力学之分。一方面,需要深入到微观领域弄清微观的断裂机理,才能深入了解宏观断裂的现象。另一方面,宏观断裂力学仍然没有发展完善,尤其是在工程实际中的应用还远未成熟,即使平面弹塑性断裂力学也依然有许多亟待解决的问题。
2、断裂力学研究的主要问题
1、多少裂纹和缺陷是允许存在的?2、用什么判据来判断断裂发生的时机?3、研究对象的寿命图和估算?如何进行裂纹扩展率的测试及研究影响裂纹扩展率的因素。4、如何在既安全又能避免不必要的停产损失的情况下安排探伤检测周期。5、若检测出裂纹又应如何处理?
3、生活中常见的断裂破坏及破坏的主要特征
断裂在生活及工程中引发的问题和事故:1、海洋平台发生崩溃;2、压力容器发生破裂;3、吊桥的钢索断;4、天然气管道破裂;5、房屋开裂倒塌;6、气轮机叶片断裂。
断裂破坏的主要特征:1、尽管材料可能是由延性材料制成,但是灾难性破坏大多有脆性特征。2、大多数是低应力破坏,破坏时应力远小于屈服极限或设计的极限应力。3、大多数破坏始于缺陷、孔口、缺口根部等不连续部位。4、断裂破坏传播速度很高,难以防范和补救。5、高速撞击、高强度材料、低温情况下更容易发生。
4、断裂力学的发展历史
断裂力学的发展迄今为止大致经历了一下几个阶段,首先1920—1949年间主要以能量的方法求解,其中最有影响的是英国科学家Griffith提出的能量断裂理论以及据此建立的断裂判据。而后从1957年开始时线弹性断裂理论阶段,提出了应力强度因子概念及相应的判断依据。到1961—1968年间是弹塑性理论阶段,其中以1961年的裂纹尖端位移判据和
1968年Rice提出的J几分最为著名。而1978年又出现了损伤力学。
二、断裂力学的基本概念
1、Griffith断裂判据
Griffith裂纹:图中的Griffith裂纹问题(即无限大平板带有穿透板厚的中心裂纹,且受到无穷远处的单向均匀拉伸的裂纹问题),以及图矩形平板带有单边裂纹的问题。设两平板的厚度均为B,Griffith裂纹长度为2a,单边裂纹的长度为a。

Griffith断裂判据:
若只考虑脆性断裂,而裂端区的塑性变形可以忽略不计。则在准静态的情形下,裂纹扩展时,裂端区所释放出来的能量全部用来形成新的裂纹面积。换句话说,根据能量守恒定律,裂纹发生扩展的必要条件是裂端区要释放的能量等于形成裂纹面积所需的能量。
设每个裂端裂纹扩展量为Δa,则由能量守恒定律有:
Griffith假定γs为一材料常数,剩下的问题就是如何计算带裂纹物体裂端的能量释放率G。若此G值大于或等于2γs ,就会发生断裂;若小于2γs ,则不发生断裂,此时G值仅代表裂纹是否会发生扩展的一种倾向能力,裂端并没有真的释放出能量。
能量释放率:能量释放率是指裂纹由某一端点向前扩展一个单位长度时,平板每单位厚度所释放出来的能量。
表面自由能:材料每形成单位裂纹面积所需的能量,其量纲与能量释放率相同。
2、能量平衡理论
在Griffith弹性能释放理论的基础上,Irwin 和Orowan从热力学的观点重新考虑了断裂问题,提出了能量平衡理论。按照热力学的能量守恒定律,在单位时间内,外界对于系统所做功的改变量,应等于系统储存应变能的改变量,加上动能的改变量,再加上不可