结构与性能 第三章.pdf

材料的断裂与断裂力学 构件低应力破坏及其原因 • 宏观断裂力学的诞生：断裂力学理论起源于20年 代，最早由Griffith （英国）提出（ Griffith A. A. The phenomena of rupture and flow in solids. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond., A221,163,1921 ），最初并没有引起人们 的注意。二次大战期间由于发生焊接船舶的断裂 以及以后大型储存罐、桥梁的破坏，引起了人们 的兴趣，促进了人们对断裂力学做深入研究，对 原有理论进行修正。其应用范围扩大到非金属脆 性材料，形成了弹塑性断裂力学。 • 宏观断裂力学的着眼点： 裂纹、缺陷 应力集中 • 宏观断裂力学的内容：研究裂纹的产 生，扩展和最终导致材料断裂的过程和 规律。 • 宏观断裂力学的目的：抑制裂纹扩展， 防止裂纹。为设计、选材。评价提供判 断。 • 宏观断裂力学的局限性：把材料当作各 向同性的均质弹性体或弹塑性体，用连 续介质力学来处理。实际材料，尤其是 无计非金属材料，是不连续的。 无机非金属材料微观结构复杂，显微结 构不均匀性明显。裂纹的产生和扩展与材料 的显微结构密切相关，需要从不同层次，揭 示材料断裂与结构之间的关系，找出提高材 料性能的途径。 由于缺陷的存在（裂纹或位错）使得材 料在远低于理论断裂强度的情况下发生断裂 和在远低于理论剪切强度的情况下产生塑性 形变。两者是相似的，前者是由于裂纹改变 了材料内部应力场的分布；后者是由于位错 改变了晶格质点的势能曲线。 线弹性断裂力学：塑性区尺寸远小于裂纹长度 断裂力学 塑性变形可忽略。 弹塑性断裂力学：产生一定程度的塑性形变，塑 性形变不可忽略 脆性的无机非金属材料属前者的范畴，钢 筋混凝土要用弹塑性断裂力学 。 裂纹的扩展方式： I型—张开式；II型—滑移式； III型－撕开式 无机材料中裂纹的扩展属于I型。 I型裂纹扩展的特点： 垂直于裂纹面的张应力引起裂纹的扩展。 裂纹扩展的能量平衡准则 1920年Grifith能量平衡原理对断裂问题进行了研究，指 出裂纹失稳扩展的条件是：在裂纹扩展过程中系统的自由 能下降。这是一种非稳态平衡条件。 一块含裂纹的平板在外力作用下系统的自由能变化为 （单位厚度）： U U +U −U E S W 其中： －弹性应变能； 2 2 （平面应力条件） UE U πC σ －裂纹表面能； E E U S －外力所作的功；U 4γ C S S U W U P *δ W (a)表示一个受到张力σ的作