浅谈断裂力学的发展与研究现状_单丙娟

浅谈断裂力学的发展与研究现状X
单丙娟
(大庆市三环钻井工程有限公司)
摘　要:本文通过对断裂力学的创立和发展的讨论,进一步说明科学技术与生产实践的进步是断裂力学产生的根本原因,继承和突破是断裂力学发展的基本途径,断裂力学的发展与生产实践紧密相关为基本论点,以及对新材料断裂理论的探索与对未来断裂力学的展望。

关键词:断裂力学;基本理论;断裂准则;发展;现状
断裂力学是近几十年才发展起来的一支新兴学科,也是固体力学的新分支,是二十世纪六十年代发展起来的一门边缘学科。

它从宏观的连续介质力学角度出发,研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件作用下宏观裂纹的扩展、失稳开裂、传播和止裂规律。

断裂力学应用力学成就研究含缺陷材料和结构的破坏问题,由于它与材料或结构的安全问题直接相关,因此它虽然起步晚,但实验与理论均发展迅速,并在工程上得到了广泛应用。

它不仅是材料力学的发展与充实,而且它还涉及金属物理学、冶金学、材料科学、计算数学等等学科内容。

断裂力学的创立对航天航空、军工等现代科学技术部门都产生了重大影响。

随着科学技术的发展,断裂力学这门新的学科在生产实践中得到越来越广泛的应用。

1　断裂力学的发展
十七世纪以来,工程构件的安全可靠性与材料的经济性这对矛盾的解决是材料力学的主要任务之一,在某种意义上讲,构件的安全可靠性是需要首先考虑的,只有在确信构件安全可靠的前提下,人们才能去考虑构件材料的经济性。

在没有新的理论之前,在材料力学中,对于某一构件来说,用传统的强度计算来确保其安全可靠性。

但是,近几十年来,世界各国生产实践表明,按传统的强度理论设计的构件,虽然满足了强度计算,有时也会意外地发生低应力断裂破坏事故,无情的事实尖锐地揭示了人们长久以来使用的传统强度理论的局限性。

随着工业生产的发展,高强度钢结构、大型锻件和焊接结构等使用越来越广泛。

在实际使用中,这些结构常常发生意外的低应力脆性断裂事故。

所以材料的脆断越来越引起了人们的重视。

科学工作者围绕这些事故进行了大量的调查研究后,发现脆断时的工作应力远远低于材料的屈服强度。

因此,这些断裂事故已不能用传统的材料力学中的强度理论来解释。

人们通过对断裂事故的分析和大量的实验研究,说明低应力脆性断裂总是由裂纹扩展所导致的。

在实际构件中,理想的均匀连续材料是不存在的,它往往带有夹渣、裂纹和划痕等缺陷。

这些缺陷在使用过程中将逐渐发展成为裂纹,而裂纹的扩展导致了构件的断裂。

而且传统的强度理论观点认为,提高材料的强度或加大构件的尺寸(如容器的壁等),便可以增大构件的许用应力或安全储备,但实际上都适得其反,构件可能会在更低的工作应力下发生破坏,欲安全反而不安全。

这一辩证规律促使人们离开传统的强度理论而从事物内部去寻找原因。

旧的传统强度理论把与工程实际构件中不相符合的关于材料均匀连续的假设作为研究的出发点,这就必然和现代工业关于对构件强度的要求发生尖锐的矛盾。

除此之外,还有塑性断裂、蠕变及腐蚀断裂等许多问题,同样也要求用不同于传统强度理论的新理论、新方法来解决。

工程实际中严重的低应力脆性断裂事故频频发生是促使断裂力学形成的直接动力。

断裂力学的最大特点是:假设构件或材料已带有裂纹(即缺陷)。

现代断裂力学能对带有裂纹的构件的裂纹尖端附近区域进行应力应变分析,从而得到表征裂纹尖端区应力应变场强度的参量。

然而,在二十世纪五十年代以前,可用来进行裂纹尖端区应力应变分析的手段尚不成熟,科学工作者根据能量守恒定律而首先建
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　2007年第7期 内蒙古石油化工X收稿日期:2007-02-15
立起断裂判据,它与传统强度理论的屈服判据有本质上的区别。

其实,低应力脆断现象对人们来说并不陌生,日常生活中也经常遇到,象玻璃,陶瓷这类的制品,当它们一旦有裂纹时,往往在很小的外力作用下就会断裂。

但没有刻痕的玻离却能承受住要大得多的外力作用。

刻痕愈深,裂纹尖端应力集中愈历害,则断裂应力愈小。

断裂力学不但能够通过计算来定量地分析构件低应力脆断的原因,而且还能提出其改进的方向,使传统强度理论无法解释的问题得以解决。

断裂力学的出现对传统的强度理论作了某种程度上的补充和革新,自然地也引起了设计思想的革新。

此时的构件具有强度有余而韧性不足的特性,故更容易引起脆性断裂,这也是由于传统的理论强度对裂纹运动规律缺乏认识的一种结果。

而对于裂纹运动规律缺乏认识的另一种倾向是,一旦发现材料或构件中有裂纹,就认为是绝对危险,弃置不用,这种盲目性也带来巨大的浪费。

断裂力学已初步地揭示了裂纹的运动规律性,能比较合理地评定构件的安全可靠性,为构件的抗断裂设计和断裂控制提供了一个比较合理的理论基础。

断裂力学不仅能解释各类工程构件发生脆断的原因,更重要的是它为防止脆断提出了一个定量的计算方法,建立了裂纹尺寸、应力(应变)及材料断裂韧性三者之间的定量关系。

随着现代工业的飞速发展,高强度合金材料,例如高强度15的钢、铝和钛等合金使用量越来越大。

高强度合金的最大优点是比强度相当高,即强度与质量密度的比值较一般中低强度合金高得多。

但是绝大多数高强度合金都比较脆。

易发生脆断;在腐蚀性环境中,甚至在相对湿度较高的环境中就有可能萌生裂纹。

因此,从设计、制造、安装和使用的角度来说,建立评定带裂纹运行构件的安全性标准,以及如何防止构件断裂事故发生,一直是科学工作者所关心的事情。

目前,断裂力学在航空航天、造船、机械、石油化工、地质等部门得到越来越广泛的应用,它的研究方法也列入上述各部门的设计、制造、验收及使用规范中。

2　断裂力学的研究现状
由于断裂力学兴起的年代较晚,它所涉及的学科较多,现在仍处于发展阶段。

目前断裂力学总的研究趋势是:从线弹性到弹塑性;从静态断裂到动态断裂;从宏观微观分离到宏观与微观结合;从确定性方法到概率统计性方法。

所以就断裂力学本身而言,根据研究的具体内容和范围,它又被分为宏观断裂力学(工程断裂力学)和微观断裂力学(属金属物理范畴)。

宏观断裂力学又可分为弹性断裂力学(它包括线性弹性断裂力学和非线性弹性断裂力学)和弹塑性断裂力学(它包括小范围屈服断裂力学和大范围屈服断裂力学及全面屈服断裂力学)。

工程断裂力学还包括疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂及蠕变疲劳断裂等工程中重要方面。

如今在断裂力学研究方法中,又引入可靠性理论,称为概率断裂力学,使断裂力学的研究内容更加丰富,也使断裂力学的理论得到进一步的发展和完善,并在工程实际中发挥出越来越大的指导作用。

3　结束语
综上所述,断裂力学的理论不仅产生于社会生产实践。

而且它现在已经又作为理论来指导人们的社会生产实践。

由于断裂力学能对材料和结构的安全性进行预测与估算,因而愈来愈受到重视。

目前线弹性断裂力学发展较为成熟,在生产中已经得到应用。

弹塑性断裂力学虽取得了一些进展,但仍有许多尚待深入研究的问题,它是当前断裂力学的主要研究方向之一。

断裂动力学,对于线性材料还有待完善;对于非线性材料,尚处于研究初期,是断裂力学的又一主要研究方向。

随着对断裂问题的深入研究及数学工具的方便使用,断裂力学理论会日益成熟,断裂力学应用会日渐广泛。

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56内蒙古石油化工 2007年第7期　。