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第一章断裂力学概论-2009
第一章 断裂力学概论
绪论
断裂力学的起源与发展
最早的断裂力学思想
1921年英国科学家Griffith研究“为什么玻璃的实际强度比从它的分子结构所预期的强度低得多?”,推测“由于微小的裂纹所引起的应力集中而产生”,提出适合于判断脆性材料的与材料裂纹尺寸有关的断裂准则——能量准则。
断裂力学发展的背景
蓬勃发展的近代先进科学技术,对传统的强度理论提出了挑战。
1) 高强度材料和超高强度材料的使用
2) 构件的大型化
3) 全焊接结构的使用
灾难性事故
焊接铁桥断裂破坏
1938-1942年,世界上有40座焊接铁桥,按照传统观点未发现任何异常的情况下,突然断裂倒塌。
自由号轮船的断裂破坏
上世纪40年代,美国“自由号”轮船焊接部位的25%被发现有裂纹,在4694艘轮船的焊接结构中,有1289处有裂纹,其中有233处引发了灾难性事故。典型的T-2号油船上,由裂纹导致甲板在几秒钟内破坏成两半,调查发现,破断处的最大弯矩还不到许用设计弯矩的一半。
“彗星”号飞机破坏失事
1954年1月10日,一架“彗星”号飞机飞行在纽约30000英尺高空突然解体坠入地中海,飞机破坏的主要原因是疲劳引起的增压舱破坏,增压座舱观察窗一角应力太高而引起疲劳破坏。破坏时的应力只相当70%的材料的强度极限。
事故的规律
断裂时,工作应力都较低
尽管是典型的塑性材料,却表现出脆性断裂现象(低应力脆断)
对断口进行分析,发现“低应力脆断”是从构件内部存在的微小裂纹源扩展引起的。
——构件中不可避免的存在裂纹或类似裂纹的缺陷是引起“低应力脆断”的根源——以裂纹体为研究对象的一门学科——断裂力学应运而生。
断裂力学的形成
1957年,美国科学家G.R.Irwin提出应力强度因子的概念, 线弹性断裂理论的重大突破,应力强度因子理论作为断裂力学的最初分支——线弹性断裂力学建立起来。
断裂力学的发展
现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成,它是在当时生产实践问题的强烈推动下,在经典Griffith理论的基础上发展起来的,上世纪60年代是其大发展时期。
我国断裂力学工作起步至少比国外晚了20年,直到上世纪70年代,断裂力学才广泛引入我国,一些单位和科技工作者逐步开展了断裂力学的研究和应用工作。
断裂力学是起源于20世纪初期,发展于20世纪后期,并且仍在不断发展和完善的一门科学。因此,它是具有前沿性和挑战性的研究成果。
断裂力学的基本思想
断裂
物理现象。材料破坏, 材料在力及环境单独或联合作用下, 本身连续性局部或整体产生的破坏。
一般情况下, 断裂是由裂纹扩展所引起。
裂纹
构件中的缺陷,作为裂纹的缺陷在尖端有非常小的曲率半径。
断裂过程
裂纹产生发展及扩展断裂
人为的断裂: 可以为生产、生活服务;
非人为的断裂: 与物体的破坏, 甚至是与灾难性事故分不开。
对断裂过程有充分的认识, 只有这样, 才能预防断裂, 利用断裂。
认识断裂的过程, 是涉及到许多现代科学领域的一门综合性科学(金属学, 材料学, 化学, 数学, 力学, 工程应用以及实验技术, 计算技术等)
断裂力学的内容
1) 主要是用力学的观点和方法来看待和分析断裂现象, 解决裂纹体的断裂强度问题。
2) 一门工程强度学科, 定量地研究承载固体由于所含有的裂纹发生扩展而产生失效的条件(研究材料或结构中裂纹产生和扩展的条件及规律的科学)。
3. 断裂力学的基本假设和任务
裂纹可能产生的原因
1 冶金中产生
2 制造中产生
3 使用中产生
断裂力学存在的条件
任何一种结构及材料都不可避免有缺陷, 甚至在其生产过程中就已经是“伤痕累累”了, 每一种结构及材料都可能是断裂力学处理的对象。
断裂力学的基本假设
构件或材料在冶炼、锻造、机加工、装配、运输等过程中难免形成宏观裂纹或类似裂纹状的缺陷。
使用中裂纹问题的分布
图1-1-1 美国军用飞机在使用中出现裂纹问题的大小分布
裂纹形成/扩展和破坏分类
图1-1-2美国空军对飞机上所出现的裂纹/破坏统计调查结果
开裂和破坏起源
图1-1-3 美国军用飞机主要裂纹、破坏问题的研究
问题的提出
工程结构中有缺陷存在, 是否能够使用?
传统强度设计方法: 一旦发现缺陷便立即作报废处理。
两个重要因素的出现否定了这种传统方法
首先,先进的检测方法将从前被忽视的缺陷检测了出来;其次,新的设计方法(损伤容限设计): 裂纹状缺陷的存在并不一定意味着结构零件已经达到(甚至接近)它的使用寿命。
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