材料损伤断裂理论..
材料的损伤断裂机理和宏微观力学理论
材料的损伤断裂机理和宏微观力学理论_10356033[General Information]书名=材料的损伤断裂机理和宏微观力学理论作者=页数=233SS号=10356033出版日期=封面页书名页版权页前言页目录页第1章裂端位错发射和断裂位错理论1.1 前言1.2 裂端位错行为的实验观察裂端位错发射纳米裂纹形核和演化裂纹尖端原子像1.3 裂端位错发射理论分析早期Rice-Thomson理论基于Peierls框架的理论模型位错发射理论分析1.4 断裂位错理论考虑位错发射影响的断裂准则准脆性断裂的位错理论考虑非线性效应的断裂位错理论1.5 裂端位错行为的分子动力学模拟计算方法裂纹尖端位错发射位错发射的不稳定堆垛能温度对裂尖位错发射的影响裂纹方位与晶体滑移几何对位错发射的影响位错列与晶界之间的作用三重嵌套模型关联参照模型参考文献第2章脆性材料的微裂纹扩展区损伤模型2.1 脆性材料拉伸的微裂纹扩展区模型单个张开币状微裂纹引起的柔度张量三轴拉伸情况下的微裂纹扩展区复杂加载下微裂纹扩展区的演化脆性损伤材料的本构关系准脆性材料本构关系的四个阶段及细观损伤机制三维拉伸情况下的软化分析单向拉伸的算例2.2 脆性材料压缩的微裂纹扩展区模型微裂纹的闭合和摩擦滑移闭合微裂纹的自相似扩展及微裂纹扩展区复杂加载条件下微裂纹扩展区的演化及柔度张量的计算微裂纹的弯折扩展单个弯折扩展微裂纹引起的非弹性柔度张量微裂纹弯折扩展的稳定性分析有效柔度张量的计算算例小结2.3 结束语参考文献第3章变形与损伤的局部化理论3.1 损伤演化和损伤局部化的规律细观演化实验与方法非均匀损伤变形场的演化理论3.2 疲劳短裂纹群体损伤及其局部化疲劳短裂纹萌生与发展的演化特征裂纹数密度与恒方程的理论和计算结果短裂纹演化行为的计算机模拟裂纹群体损伤演化特征分析疲劳短裂纹群体演化的损伤矩分析3.3 变形局部化形成与微结构演化低碳钢钛合金Al-Li合金SiCp颗粒增强Al-基复合材料3.4 变形局部化的计算模拟与相变局部化多晶体材料塑性变形局部化的数值模拟相变引起的变形局部化与材料失稳现象研究参考文献第4章面心立方晶体疲劳损伤的取向和晶界效应4.1 双滑移和多滑移取向单晶体的循环形变循环应力应变响应和初始循环硬化循环应力应变曲线的晶体取向效应铜单晶体在循环形变中形成的形变带位错结构特征及其与晶体取向关系4.2 疲劳损伤的晶界效应双晶体的循环形变特征驻留滑移带与晶界的交互作用及晶界领域的位错结构疲劳裂纹沿晶界的萌生铜三晶体的循环形变与疲劳损伤4.3 晶体形变的晶体微观力学和有限元分析晶体潜在硬化的指向行为垂直晶界双晶中的应变和分解切应力铜三晶体主滑移系分解切应力的有限元分析铜复晶体主滑移系分解切应力的有限元分析4.4 结语和进一步的工作参考文献第5章材料与薄膜结构的强韧化力学原理5.1 引言--强韧材料与中国的技术进步强韧材料构成中国技术起飞的骨架材料强韧化的潜力与范例强韧化的新型薄膜结构与高新技术的发展材料强韧化与宏微观断裂力学5.2 材料强韧化的3个层次裂尖场结构宏观层次：断裂的能量消耗细观层次：断裂过程区与断裂路径微观层次：分离前的原子运动混沌5.3 强韧化过程的力学计算宏细观平均化计算层状结构的细观模拟计算强度的统计计算宏细微观三层嵌套模型5.4 典型强韧化机制的力学原理裂尖屏蔽裂尖形貌控制尾区耗能控制裂纹面桥联裂纹扩展路径控制5.5 强韧化薄膜β-C3N4超硬薄膜的制备薄膜的界面强度测试约束薄膜的断裂韧性5.6 结束语参考文献第6章环境断裂6.1 断裂的物理基础断裂和环境断裂位错发射和无位错区微裂纹形核的位错理论韧脆判据6.2 氢致断裂氢在金属中的行为氢促进局部塑性变形氢脆氢致开裂机理6.3 应力腐蚀应力腐蚀基础氢在阳极溶解型应力腐蚀中的作用。
材料断裂理论与失效分析知识点
材料断裂理论与失效分析知识点材料为镍基⾼温合⾦，为什么？服役环境的要素有哪些？有可能发⽣的失效类型是什么？如何设计实验确定失效的类型？改进的建议和措施⼀．涡轮叶⽚的材料涡轮叶⽚处于温度最⾼、应⼒最复杂、环境最恶劣的部位，是⼀种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求⾼，加⼯难度⼤，⽽且是故障多发的零件，⼀直以来各发动机⼚的⽣产的关键。
所以对涡轮叶⽚材料就有更⾼的要求。
涡轮叶⽚的材料⼀般选择镍基⾼温合⾦。
镍基合⾦就是以镍为基础，加⼊其他的⾦属，⽐如钨、钴、钛、铁等⾦属，做成以镍为基础的合⾦。
有的镍基⾼温合⾦含镍量达到70殊右，其次Cr含量也⽐较⾼。
其性能主要有：1. 物理性能。
具有较⾼的熔点和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不⼤；没有磁性。
2. 耐腐蚀性。
镍基合⾦由于含Cr,在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。
同时，由于Ni含量⾼，在还原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。
还具有良好的耐应⼒腐蚀开裂性能，也能抵抗氨⽓和渗氮、渗碳⽓氛。
3. 机械性能。
镍基⾼温合⾦在零下、室温及⾼温时都具有很好的机械性能。
4. ⾼温特性。
⾼温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。
5. 热处理及加⼯、焊接性。
⾼温镍基合⾦不能通过热处理进⾏失效硬化，但可以进⾏固溶热处理和退⽕处理等。
⾼温镍基合⾦⽐较容易进⾏热加⼯，冷加⼯性能⽐奥⽒体不锈钢好。
焊接性能与标准奥⽒体钢⼀样，可采⽤TIG焊接、MIG旱接以及⼿⼯电弧焊。
总的来说，镍基合⾦具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应⼒，组织稳定，有害相少，⾼温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出⾊，能够在相当苛刻的⾼温环境下进⾏服役。
所以涡轮叶⽚的材料选择⾼温镍基合⾦。
⼆. 涡轮叶⽚的服役环境涡轮处于燃烧室后⾯的⼀个⾼温部件，⽽涡轮叶⽚处于温度最⾼、应⼒最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮叶⽚的服役环境特别的复杂与恶劣。
总得来说，涡轮叶⽚服役环境的要素主要有：1. 不均匀的⾼温条件下⼯作。
断裂力学理论及应用研究
断裂力学理论及应用研究断裂是指材料在外部加载下受到破坏产生裂纹或破片分离的物理过程，是所有材料科学中重要的研究领域之一。
断裂力学理论涉及力学、物理、化学等学科，是从宏观探讨结构构件断裂行为规律的一门学科。
本文主要从断裂力学理论的基本概念、发展历程、应用研究等方面进行探讨。
一、断裂力学理论的基本概念断裂力学理论的基本概念包括断裂韧性、应力场、应变场等。
1. 断裂韧性断裂韧性是材料断裂过程中抵抗裂纹扩展的能力。
对于材料强度越高的材料，其断裂韧性一般也越高。
一个材料的断裂韧性大小可以通过测量其断裂过程中断裂面上的裂纹扩展能量来确定。
当裂纹扩展时，其边缘会释放出能量，断裂韧性就是指在裂纹在材料中传播的过程中能够消耗这些能量的材料性质。
2. 应力场在载荷下，一个构件内的所有部分都会承受不同的应力。
应力场指的是构件内各点的应力分布状态。
应力场是描述材料内部应力状态的最基本模型。
例如，当一个材料受到拉压载荷时，其内部就会产生相应的拉伸和压缩应力。
3. 应变场应变是指材料受到外力后的形变程度，是衡量材料变形能力的重要指标。
与应力场类似，应变场指的是材料内部各点的应变状态。
例如，在机械制造过程中，材料会受到剪切应力，这会导致材料存在剪切应变。
二、断裂力学理论的发展历程断裂力学理论的发展历程可以简单划分为以下阶段：经验试验阶段、线弹性断裂力学阶段、实验与理论相结合阶段、转捩点理论阶段以及非线性断裂力学阶段。
1. 经验试验阶段经验试验阶段是断裂力学理论的雏形阶段。
在这个阶段，人们通过实验来探究材料的断裂行为，并总结出了一些经验规律。
例如，在实验中，人们发现时强度与应力之间成正比关系，这就为后来的弹性断裂力学理论的发展提供了依据。
2. 线弹性断裂力学阶段线弹性断裂力学阶段是断裂力学理论的基础阶段。
这个阶段出现了很多具有代表性的理论，例如弹性理论、能量释放率理论以及裂纹扩展跟踪技术等。
在这个阶段中，人们主要依靠线弹性理论来探究材料断裂规律。
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弹塑性断裂力学理论
J积分的两种定义：
回路积分：即围绕裂纹尖端周围区域的应力应变和位移所 组成的围线积分。 J积分具有场强度的性质。不仅适用于线弹 性，而且适用于弹塑性。但J积分为一平面积分，只能解决工 程问题。
形变功率定义：外加载荷通过施力点位移对试样所做的 形变功率给出。 根据塑性力学的全量理论，这两种定义是等效的。
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线弹性弹性断裂力学理论
线弹性断裂力学的基本理论包括： Griffith理论，即能量释放率理论； Irwin理论，即应力强度因子理论。
一、Griffith理论
1913年，Inglis研究了无限大板中含有一个穿透板厚 的椭圆孔的问题，得到了弹性力学精确分析解，称之为 Inglis解。1920年，Griffith研究玻璃与陶瓷材料脆性断 裂问题时，将Inglis解中的短半轴趋于0，得到Griffith 裂纹。
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概况
传统强度理论
变形
损伤
塑性失稳
宏观裂纹
裂纹扩展
破坏
损伤力学 破坏力学
断裂力学
损伤力学主要研究宏观可见的缺陷或裂纹出现以前的力学过程； 断裂力学研究宏观裂纹体的受力与变形、以及裂纹的扩展，直至断裂
的过程。
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概况
• 损伤力学研究内容 研究含损伤的变形固体在载荷、温度、腐蚀等外在因素的作用下 ，损伤场的演化规律及其对材料的力学性能的影响。 • 损伤力学研究方法 连续损伤力学 细观损伤力学
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线弹性弹性断裂力学理论
Griffith研究了如图所示厚度为B的薄平板。上、下端受 到均匀拉应力作用，将板拉长后，固定两端。由Inglis解得到 由于裂纹存在而释放的弹性应变能为
材料损伤断裂理论
一种是能量平衡的观点，认为裂纹扩展的动力是构件在 裂纹扩展中所释放出的弹性应变能，它补偿了产生新裂纹表 面所消耗的能量，如Griffith理论；
一种是应力场强度的观点，认为裂纹扩展的临界状态是 裂纹尖端的应力场强度达到材料的临界值，如Irwin理论。
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线弹性弹性断裂力学理论
线弹性断裂力学的基本理论包括： Griffith理论，即能量释放率理论； Irwin理论，即应力强度因子理论。
一、Griffith理论
1913年，Inglis研究了无限大板中含有一个穿透板厚 的椭圆孔的问题，得到了弹性力学精确分析解，称之为 Inglis解。1920年，Griffith研究玻璃与陶瓷材料脆性断 裂问题时，将Inglis解中的短半轴趋于0，得到Griffith 裂纹。
断裂过程包括裂纹的形成和裂纹的扩展。
损伤
断裂
主要内容
断裂概念及分类 材料的理论断裂强度 Griffith能量平衡理论 应力强度因子
按断裂前材料发生塑性变形的程度分类 ➢ 脆性断裂（如陶瓷、玻璃等） ➢ 延性断裂（如有色金属、钢等） 断面收缩率5%；延伸率10%
材料损伤断裂理论
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大纲
概况 线弹性断裂力学理论 弹塑性断裂力学理论 材料细观损伤理论 总结
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概况
断裂损伤力学是固体力学的一个分支，是断裂力学和损伤力 学的简称。断裂力学是研究含裂纹固体介质的强度和裂纹扩展规律 的学科，它采用均匀性假设，且假设仅在材料缺陷处不连续;损伤 力学是研究材料内部存在错位“夹杂”微裂纹和微孔洞等分布缺陷时 ，在外荷载作用下损伤的演化规律及其对力学性能的影响，二者共 同描述了结构从原有缺陷到宏观裂纹形成继而断裂的全过程。 1962年 M.Kaplan 首先运用断裂力学方法分析混凝土裂缝.
材料力学中的断裂与损伤模型研究
材料力学中的断裂与损伤模型研究导言：材料力学是研究物质内部结构与力学性能之间关系的学科，其中断裂和损伤是材料力学中的重要问题。
断裂指材料受到破坏后失去原有形状和功能的过程，损伤则是材料在受到负荷时产生内部微观结构的变化。
研究断裂与损伤模型有助于理解材料的力学行为，并为工程实践提供可靠的设计准则。
一、断裂理论的发展断裂理论的历史可以追溯到17世纪，当时通过实验观察到材料受到载荷后会产生破裂现象。
在19世纪，英国科学家格里菲斯提出了著名的格里菲斯断裂准则，认为材料的断裂是由于内部存在微小裂纹导致的。
在20世纪，随着电子显微镜等新技术的发展，人们对材料断裂行为有了更深入的认识。
针对不同材料的断裂现象，科学家们提出了一系列的断裂理论和模型，包括线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学和粘弹性断裂力学等。
二、断裂力学模型1. 线弹性断裂力学线弹性断裂力学是最早的断裂力学模型，其基本假设是材料在断裂前可以近似看作是线弹性的。
这种模型适用于材料具有较高强度的情况，可以预测材料断裂的应力和应变。
但是，线弹性断裂力学无法很好地描述裂纹扩展的过程，因为裂纹扩展并不符合线弹性条件。
2. 弹塑性断裂力学弹塑性断裂力学是针对金属等可塑性材料的断裂行为而提出的模型。
这种模型考虑了材料内部的应力集中和裂纹扩展，可以更准确地预测材料的断裂行为。
常见的弹塑性断裂力学模型包括J-积分和能量释放率等。
3. 粘弹性断裂力学粘弹性断裂力学模型是针对聚合物等具有粘弹性行为的材料而提出的。
这种模型结合了线弹性断裂力学和粘弹性力学的理论，考虑了材料断裂前后的变形和粘滞行为，能够准确地描述材料的断裂过程。
三、损伤理论的发展损伤理论是研究材料在受到负荷时，内部微观结构发生变化的过程。
损伤可以导致材料的强度和刚度降低，甚至引发断裂。
损伤理论的发展受到了断裂理论的启发，主要包括线弹性损伤力学和弹塑性损伤力学等。
四、损伤力学模型1. 线弹性损伤力学线弹性损伤力学是最早的损伤力学模型，通过引入微观裂纹密度等参数，描述了材料的损伤演化行为。
2.2材料的强度理论与断裂理论
y
H B A D K
ys
o rp a
x
The region ABH represents forces that would be 上述简单分析是以裂纹尖端弹性解为基础的，故 present in an elastic material but cannot be carried 并非严格正确的。屈服发生后，应力必需重分布， in the elastic-plastic material because the stress 以满足平衡条件。 cannot exceed yield. The plastic zone must increase in size in order to carry these forces.
K Ic 如图所示。
1 b 。 2
无损检测发现裂纹长度在4mm以上，设计工作应力为 d
讨论：a 工作应力d=750MNm-2 时，检测手段能否保证防止发生脆断？ b 企图通过提高强度以减轻零件重量，若b提高到1900MNm-2 是否合适？ c 如果b提高到1900MNm-2 ，则零件的允许工作应力是多少？
计 算 主 应 力
屈 服 准 则
y xy 裂纹尖 y x dy 端屈服 r dx 区域的 (5-1) 2a x 形状与 尺寸
这里仅简单讨论沿裂纹线上屈服区域的大小。 在裂纹线上(=0)，注意到 K p a ，有； x y
K1 a ； xy 0 2r 2p r
x= a cos[1 - sin sin3 ] 2 2 2r 2 a cos [1 sin sin3 ] (5-1) y 2 2 2 2r a sin cos cos3 xy r 2 2 2 2
材料力学中的断裂理论
材料力学中的断裂理论近年来，随着人们对材料力学的研究不断深入，断裂理论逐渐成为了材料力学中一个备受关注的热点。
断裂理论是材料力学中研究材料在受力过程中破坏的学科，研究的重点在于探究材料断裂的发生机理、预测其断裂行为及相关工程应用。
下面，本文将通过对断裂理论的介绍，阐述其在材料力学中的重要性以及研究的发展趋势。
一、断裂理论的概念断裂理论是材料力学中研究物质在受力下破裂行为的一门重要学科。
其研究的主要内容包括断裂的形成机理、断裂的预测和控制以及断裂失效的评估等。
目前，断裂理论已经逐渐成为了固体力学、材料科学及相关领域学科中不可或缺的一部分。
二、断裂理论的主要发展历程随着人们对材料力学的研究不断深入，断裂理论的研究也逐渐得以发展。
下面，我们将简要介绍一下断裂理论的主要发展历程。
1、线性断裂力学理论线性断裂力学理论是最初的断裂机理研究学派。
其基本思想是将应力分析为两个部分，即与材料强度相关的断裂应力和与材料刚度有关的弹性应力。
2、弹塑性断裂力学理论弹塑性断裂力学理论是一种发展相对较晚的断裂理论，它采用了经典力学中的弹塑性理论，同时也考虑了模量、材料硬化等因素的影响。
其主要优点在于可以模拟动态载荷下复杂结构的材料失效行为。
3、能量释放率断裂机制理论能量释放率断裂机制理论是最新的断裂理论研究方向之一。
其提出了断裂是由应变能量积累并导致材料失效的观点，将目光集中在断裂预测和研究潜在裂纹扩展的过程中。
三、断裂理论在材料力学中的应用断裂理论在材料力学中具有重要的应用价值。
其主要应用于以下领域：1、材料设计和优化断裂理论可以帮助材料工程师有效地设计新型材料，并优化现有材料的性能。
其可以预测材料失效的位置和方式，并针对性地改进材料设计方案。
2、疲劳寿命估算断裂理论在疲劳寿命估算中发挥着重要作用。
通过预测裂纹的扩展速度、疲劳裂纹的形态和尺寸等参数，可以精确地预测材料疲劳寿命，对于保证材料的可靠性和安全性具有重要意义。
3、损伤评估和监控通过损伤评估和监控，可以有效地检测材料的健康状况。
损伤力学和断裂力学
损伤力学和断裂力学损伤力学也称为“断裂力学”，是研究崩溃结构物质的模型、理论和应用的学科。
通过研究机械结构在受载过程中可能出现的损伤过程、损伤规律以及失效机理等问题，对材料的使用和维护保养提供了重要的理论指导和工程参考。
损伤力学研究的范畴广泛，包括材料损伤、构件损伤、结构损伤等，主要涉及力学、材料科学、力学等学科的交叉。
本文将重点介绍损伤力学和断裂力学的研究内容和应用。
一、损伤力学的概念损伤是指材料或构件在受到载荷后，出现一定程度的损伤或裂纹，这种现象通常被称为载荷引起的裂纹或者损伤。
损伤来自于结构内部或受力的区域，其大小和分布取决于受力状态和材料性质。
在无反复载荷条件下，损伤逐渐逐步增加，到达一定程度后，结构横截面会突然断裂。
损伤力学是通过研究内部损伤的分布和演化规律等来预测结构在疲劳、震动、冲击和其他外部载荷下的行为。
在工程中，往往需要估计物质损伤的能力和变形的影响，为工程设计、评估和维护提供指导。
当损伤大小达到临界值时，结构体的崩溃就会发生，这在实际工程中是不可避免的。
因此，应用损伤力学在工程设计和再加工过程中，可以更好地优化产品结构，提高其传输能力和工作寿命。
二、损伤演化的相互作用在损伤力学的研究中，损伤的形成和演化一般是相互耦合的，即一个过程的发展可以通过其他过程来促进或抑制，同时也受到其他因素的制约和干扰，其基本的机理如下：分析疲劳导致的结构疲劳过程，可以发现内部的微损伤是一种渐进的过程。
当初始的小裂纹逐渐递增，问题将变得更加复杂，因为这些裂纹可能互相干扰，从而导致一个非常复杂的状态。
如果这些裂纹已到达一定深度，那么失效的概率也达到了一个很高的值。
本质上，任何崩溃过程都离不开损伤演化的相互作用，因为这类过程的最终结果由许多部分的相互作用决定。
三、断裂力学的发展断裂力学是研究断裂行为的学科。
虽然断裂力学和损伤力学非常相似，但它们仍然有明显的不同之处。
损伤力学更加注重裂纹的扩展和内部损伤的积累，而断裂力学则更加关注破坏过程的开始和结束。
混凝土材料的断裂模型和bazant尺寸效应律
混凝土材料的断裂模型和bazant尺寸效应律混凝土是一种广泛应用的建筑材料，其在工程中扮演着重要的角色。
然而，混凝土的断裂问题一直是工程界关注的一个热点问题。
为了解决混凝土断裂问题，科学家们提出了各种模型和理论。
本文将介绍混凝土材料的断裂模型和bazant尺寸效应律。
一、混凝土材料的断裂模型混凝土的断裂行为是由多种因素共同作用产生的。
为了研究混凝土的断裂行为，科学家们提出了各种断裂模型，如弹性断裂模型、塑性断裂模型、损伤断裂模型等。
其中，损伤断裂模型是目前应用最为广泛的一种模型。
损伤断裂模型是基于混凝土材料的微观损伤机理建立的。
该模型将混凝土材料看作是由许多微观裂纹和孔隙组成的复杂结构。
在加载过程中，混凝土材料中的微观裂纹和孔隙会逐渐扩展，最终导致混凝土的断裂。
因此，混凝土的断裂行为可以看作是微观损伤机理的宏观表现。
损伤断裂模型可以通过材料的应力-应变曲线来描述。
在模型中，混凝土材料的损伤程度可以用损伤变量来表示。
当损伤变量达到一定程度时，混凝土就会发生断裂。
通过损伤断裂模型，可以预测混凝土在不同加载条件下的断裂行为。
二、bazant尺寸效应律在混凝土材料的断裂问题中，尺寸效应是一个很重要的问题。
尺寸效应的意思是指，在不同尺寸的混凝土试件中，其断裂行为有所不同。
这是因为在不同尺寸的试件中，微观裂纹和孔隙的分布情况不同，导致混凝土的断裂行为也不同。
为了研究混凝土试件尺寸对其断裂行为的影响，bazant提出了尺寸效应律。
该律指出，在相同的加载条件下，不同尺寸的混凝土试件其强度大小不同。
其数学表达式为：σ = k1 + k2/√L其中，σ为混凝土试件的强度，L为试件的尺寸，k1和k2为常数。
该公式表明，随着试件尺寸的减小，混凝土试件的强度也会随之减小。
这是因为在小尺寸试件中，微观裂纹和孔隙的分布更加均匀，导致混凝土的强度较低。
尺寸效应律的提出为混凝土试件的设计和评估提供了理论基础。
通过该律，可以预测不同尺寸试件的强度大小，从而更好地保证工程质量。
智能材料结构中力与多物理场耦合理论及结构损伤断裂理论
智能材料结构中力与多物理场耦合理论及结构损伤/断裂理论本研究方向的成员主要基于多物理场理论和超声波相关理论技术，利用新型的微纳米级的铁电功能材料，创新地提出了针对各类材料与结构（尤其是航空材料结构）中的毫米级的损伤进行的检测和监测相关理论与技术。
团队形成了较强的凝聚力和良好的学术风气，产生了较高水平的科研成果，以下为研究骨干在近几年以来已完成的代表性阶段成果：（1）超声相控阵损伤检测中PFC换能器的研究项目负责人：骆英研究骨干：王自平、赵国旗、韩伟、虞波研究了PZT、PMN－PT等系统压电陶瓷的组成、制备技术和性能，创新地提出了用有序生长制备技术制造压电纤维复合材料及智能驱动/传感器件的新方法。
建立了一种基于新型PFC相控阵超声驱动/传感器件的超声相控阵检测系统，并成功应用于金属结构和混凝土结构的损伤检测，研制了接近国际水平的相控阵超声检测系统的原型机。
PFC片状驱动/传感器用于金属结构检测的PFC超声相控阵换能器用于混凝土结构检测的超声相控阵换能器d 、a 、N 变化时的指向性分析阵元参数变化时的波场分析基于PFC 超声相控阵驱动/传感器件的相控阵检测结果 （2）基于声发射(AE)技术的结构损伤检测方法研究骨干：骆英、顾爱军、Adudrum Marfo 、刘红光、欧晓林AE 技术作为一项独特的无损检测方法在各工程领域发挥着巨大的作用，在土木工程领域也显示出巨大的潜力。
研究了钢筋与混凝土间粘结滑移的声发射特性,并开始应用于预应力混凝土结构、钢结构、玻璃幕墙等结构的无损检测中，研究将数字图像相干法(DIC)与AE监测技术相结合，进一步验证损伤监测的准确性，为工程结构声发射检测中利用AE特性进行损伤识别奠定了基础。
CFRP碳纤维加固混凝土开孔板损伤监测桥梁声发射检测声发射与DIC检测方法比较试验装置基于Gabor小波变换理论的声发射无损检测及信号处理技术a) b) c) d)利用DIC方法测得的水平应变场判断混凝土裂缝的形成和扩展a)、b)、c)，应变场的演化，d)宏观裂缝（3）基于新型应变梯度传感器的结构损伤监测技术项目负责人：骆英研究骨干：徐晨光、李康、桑胜、王晶晶、李兴家在近10年跟踪前沿研究新型铁电功能材料及智能器件的基础上，揭示微米级挠曲电材料的力/电能量转换关系，基于微米级挠曲电结构对微损伤尖端附件的应变梯度极其敏感的特性，研制用于监测结构损伤的新型应变梯度传感器，实现在线监测损伤导致的应变梯度，进而达到超前监测结构中应力集中区域损伤的萌生。
材料科学中的断裂力学研究
材料科学中的断裂力学研究一、概述断裂力学是研究材料在外力作用下出现裂纹的形成、扩展和破坏过程的学科。
断裂力学不仅是材料科学的重要分支领域，也在机械、航空、造船、建筑等行业有着广泛的应用，在材料的设计、制造、使用等方面发挥着重要作用。
二、断裂的分类1. 韧性断裂：指材料在外力作用下，会伴随着大量的能量吸收，裂纹的扩展缓慢，最终会出现塑性变形，常见于金属材料。
2. 脆性断裂：指材料在外力作用下，裂纹迅速扩展，没有明显的塑性变形，常见于玻璃、陶瓷等材料。
3. 疲劳断裂：指材料在循环载荷作用下，长时间累积微小损伤后，发生的断裂。
4. 动态断裂：指材料在高速载荷下，断裂的速度与裂纹扩展速度均非常快，这种断裂过程需要考虑材料的动态响应。
三、断裂试验为了研究材料的断裂行为，需要进行一系列的断裂试验，常见的断裂试验有以下几种：1. 拉伸试验：将样品置于拉伸机上，以一定速度施加拉力，测量材料在拉力作用下的应力应变关系，以此来研究材料的韧性断裂行为。
2. 冲击试验：将样品固定，用针锤突然撞击样品，记录击裂所需的针锤力，以此来研究材料的脆性断裂行为。
3. 疲劳试验：将样品置于振动台上或者重复加载样品，记录疲劳循环数和断裂数，以此来研究材料的疲劳断裂行为。
4. 梁三点弯曲试验：将样品放在两个支持点之间，施加一个力于中心点，记录样品受到力的弯曲程度以及可能的裂纹扩展的位置，以此来研究材料的韧性断裂行为。
四、裂纹扩展机理裂纹扩展机理是断裂力学研究的重要内容。
裂纹的产生和扩展是材料破坏的重要过程，其扩展方向和路径直接影响着材料的性能和寿命。
常见的裂纹扩展机理有以下几种：1. 涂层剥落：涂层与基材的粘结力不足时，就会发生剥离和分层现象。
2. 静态疲劳裂纹扩展：材料在长时间静止状态下，扩展的主要机理是疲劳裂纹扩展。
3. 动态裂纹扩展：材料在高速载荷和高速运动状态下，扩展的主要是动态裂纹扩展。
4. 起始裂纹：材料在外力作用下，由于材料存在初始裂纹缺陷或者为了刻意开裂，就会出现裂纹加速扩展。
材料力学中的断裂韧性理论
材料力学中的断裂韧性理论断裂韧性是材料力学中重要的概念，旨在描述材料抵抗断裂和破裂的能力。
本文将介绍材料力学中的断裂韧性理论，包括其定义、测量方法以及影响因素。
同时，还将探讨断裂韧性理论在工程实践中的应用以及未来的发展方向。
首先，我们来了解什么是断裂韧性。
断裂韧性是材料抵抗断裂的能力，也可以理解为材料在受到外力作用下发生断裂之前能够吸收的能量。
在材料力学中，断裂韧性常用来描述材料的脆性和韧性特征。
脆性材料具有较低的断裂韧性，即在受到应力集中时容易发生断裂；而韧性材料具有较高的断裂韧性，即在受到应力集中时能够更好地吸收能量，延缓断裂的发生。
测量材料的断裂韧性是材料力学研究中的重要任务。
在实验中，常用的方法是通过断裂韧性试验来进行测量。
最常用的试验方法包括拉伸试验和冲击试验。
拉伸试验通过施加拉伸力来测量材料的断裂韧性，冲击试验通过施加冲击载荷来测量材料的韧性能力。
通过这些试验结果，可以得到材料的断裂韧性参数，如断裂韧性指数和断裂韧性强度。
除了试验方法，还有一些理论模型用于描述和预测材料的断裂韧性。
线性弹性断裂力学模型是最早提出的模型之一，它基于弹性力学理论，并假设材料在断裂前的行为是线性弹性的。
这种模型适用于许多脆性材料，如陶瓷和玻璃。
然而，在韧性材料中，这种模型不适用，因为这些材料在断裂前会发生塑性变形。
与线性弹性断裂力学模型相比，弹塑性断裂力学模型更加适用于描述和预测韧性材料的断裂行为。
这种模型结合了弹性力学和塑性力学理论，并将断裂行为描述为弹性和塑性失效的综合结果。
弹塑性断裂力学模型考虑了材料的弹性变形和塑性变形，能够更准确地预测材料的断裂韧性。
影响材料断裂韧性的因素有很多，其中一个重要的因素是材料的组成和结构。
不同材料具有不同的原子组成和晶体结构，从而导致其断裂韧性的差异。
另一个影响因素是加载速率。
在冲击等快速加载下，材料的断裂韧性往往显著下降。
此外，温度也是一个重要的影响因素。
在低温下，许多材料的断裂韧性会显著增加，而在高温下会下降。
材料的断裂与脆性
材料物理
静载压入试验
(a) 布氏硬度 (b) 维氏硬度
Chap.1 材料的力学
材料物理
静载压入试验
(c) 洛氏硬度 (d) 努普硬度
Chap.1 材料的力学
材料物理
材料硬度的影响因素
材料的硬度取决于其组成和结构：
➢离子半径 ➢材料的显微结构、裂纹、杂质等 ➢温度等环境条件
➢韧性断裂（高温） B点以后 ➢应变硬化 D点以后
应变硬化
Chap.1 材料的力学
材料物理
1.3.3 材料的裂纹断裂理论
微裂纹理论：
•实际的材料中总是存在许多细小的裂纹和缺陷， 在应力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力
集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹开始 扩展而导致断裂。 ➢所以，断裂并不是两部分晶体同时沿整个界面 拉断，而是裂纹扩展的结果。
传统的设计观点：
•甲钢：
的构件，可选
•乙钢：
Chap.1 材料的力学
材料物理
按照断裂力学的观点：
甲钢： f
KIC YC
4.5107 1.5 1103
1.0109 (Pa)
乙钢： f
KIC YC
7.5107 1.5 1103
1.67 109 (Pa)
➢乙钢比甲钢安全
Chap.1 材料的力学
•允许的最大应力[σ]=σf/n或 σys/n ，
• σf为断裂强度，σys为屈服强度， n为安全系数。
断裂力学：引入一个考虑了裂
纹尺寸，并表征材料特征的常数KIC，称作
平面应变断裂韧性。 断裂判据可表示为：
Chap.1 材料的力学
材料物理
经典理论与断裂力学设计选材的差异
材料损伤断裂理论..44页PPT
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
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线弹性弹性断裂力学理论
基本概念
一个物体在力的作用下分成两个独立的部分、这一过程称之为断裂，或称之为完 全断裂。
如果一个物体在力的作用下其内部局部区域内材料发生了分离，即其连续性发生 了破坏，则称物体中产生了裂纹。大尺度裂纹也称为不完全断裂。 断裂过程包括裂纹的形成和裂纹的扩展。 损伤 断裂
主要内容
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弹塑性断裂力学理论
弹塑性断裂力学的任务：在大范围屈服下，确定能定 量描述裂纹尖端区域弹塑性应力，应变场强度的参量．以
便利用理论建立起这些参量与裂纹几何特性、外加载荷之
间的关系，通过试验来测定它们，并最后建立便于工程应 用的断裂准则。
主要包括COD理论和J积分理论
王春玲，塑性力学，中国建筑工 业出版社
K Kc
K
准则)
K Kc
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线弹性弹性断裂力学理论
四、裂纹的类型.裂纹尖端附近的应力场和位移值
裂纹的类型
1.按裂纹的几何类型分类 穿透裂纹:裂纹沿构件整个厚度贯穿. 表面裂纹:深度和长度皆处于构件表面的裂纹,可简化为 半椭圆裂纹. 深埋裂纹:完全处于构件内部的裂纹,片状圆形或片状椭 圆裂纹. Griffith微裂纹脆断理论
弹塑性断裂力学理论
J积分的两种定义：
回路积分：即围绕裂纹尖端周围区域的应力应变和位移所 组成的围线积分。 J积分具有场强度的性质。不仅适用于线弹 性，而且适用于弹塑性。但J积分为一平面积分，只能解决工 程问题。
形变功率定义：外加载荷通过施力点位移对试样所做的 形变功率给出。 根据塑性力学的全量理论，这两种定义是等效的。
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弹塑性断裂力学理论
D-M模型(1960)
1.
D-M模型的假设(Dugdale-Muskhelishvili)
塑性区简化为条形
理想塑性
2.
D-M模型的修正-吸附力模型(Barenblatt，1962)（B-D 模型）
条形区内应力不均等，而是由吸附力决定的分布力。 当吸附力等于屈服应力时，模型退化为D-M模型
断裂概念及分类 材料的理论断裂强度 Griffith能量平衡理论 应力强度因子
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线弹性弹性断裂力学理论
按断裂前材料发生塑性变形的程度分类
按断裂机制分类
脆性断裂（如陶瓷、玻璃等） 延性断裂（如有色金属、钢等）
解理断裂（如陶瓷、玻璃等） 剪切断裂（如有色金属、钢等） 疲劳断裂（90%） 腐蚀断裂 氢脆断裂 蠕变断裂 过载断裂及混合断裂
弹塑性断裂力学理论
设一均质板，板上有一穿透裂纹、裂纹表面无力作 用，但外力使裂纹周围产生二维的应力、应变场。围绕
裂纹尖端取回路下。始于裂纹下表面、终于裂纹上表面。 按逆时针方向转动
混凝土损伤力学的研究现状
损伤力学是研究混凝土构件中宏观裂纹出现前材料的力学行为 ，按照荷载形式的不同，可以将损伤理论分为静力损伤模型和动力 损伤模型。静力损伤本构模型主要有 Marzars模型,Krajcinovic模型 和 Sidoroff模型等。动力损伤模型分两类: 1) 结构受周期性循环荷载作用； 2) 结构受到加载速率很大的荷载作用，主要模型有Sauris模型、 Bui 模型、Henty模型等。
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线弹性弹性断裂力学理论
2.按裂纹的受力和断裂特征分类 张开型(Ⅰ型):拉应力垂直于裂纹扩展面, 裂纹上、下表面沿作用力的方向张开,裂 纹沿着裂纹面向前扩展,是最常见的一种 裂纹. 滑开型(Ⅱ型):裂纹扩展受切应力控制,
切应力平行作用于裂纹面而且垂直于裂 纹线,裂纹沿裂纹面平行滑开扩展.
平面应变 平面应力
平面应变性断裂力学理论
Irwin在1948年引入记号
G
1 G (W U ) 2 a
能量释放率 外力功 释放出的应变能 能量释放率也称为裂纹扩展能力
G
准则
G Gc
Gc
临界值,由试验确定
Irwin的理论适用于金属材料的准脆性破坏—破坏前裂 纹尖端附近有相当范围的塑性变形 .该理论的提出是线弹性 断裂力学诞生的标志.
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弹塑性断裂力学理论
一.COD
COD(Crack Opening Displacement) 裂纹张开位移。 裂纹体受载后，裂纹尖端附近的塑性区导致裂纹尖端表面 张开——裂纹张开位移：表达材料抵抗延性断裂能力 —COD准则
裂纹失稳扩展的临界值
COD准则需解决的3个问题： 的计算公式; c 的测定; COD准则的工程应用
设金属材料的裂纹扩展单位面积所需要的塑性功为
U p ，则剩余强度和临界裂纹长度可表示为
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线弹性弹性断裂力学理论
2 E ( U P ) 2 (1 )a c 2 E ( U P ) a
2 E ( U P ) (1 2 ) 2 ac 2 E ( U P ) 2
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线弹性弹性断裂力学理论
三.应力强度因子理论
裂纹尖端存在奇异性,即:
iy (r , )
1 r
(r 0)
基于这种性质，1957年Irwin
K
提出新的物理量—应力强度因子
即：
K lim 2 r yy (r , 0)
r 0
1960年Irwin用石墨做实验,测定开始裂纹扩展时的 断裂判据(
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概况
传统强度理论
变形
损伤
塑性失稳
宏观裂纹
裂纹扩展
破坏
损伤力学 破坏力学
断裂力学
损伤力学主要研究宏观可见的缺陷或裂纹出现以前的力学过程； 断裂力学研究宏观裂纹体的受力与变形、以及裂纹的扩展，直至断裂
的过程。
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概况
• 损伤力学研究内容 研究含损伤的变形固体在载荷、温度、腐蚀等外在因素的作用下 ，损伤场的演化规律及其对材料的力学性能的影响。 • 损伤力学研究方法 连续损伤力学 细观损伤力学
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概况
混凝土断裂力学的研究现状
国内外很多研究学者进行各种断裂模式( 张开型、滑开型、撕开型、复合型) 的 试验研究以及断裂韧度的测试，提出了一系列应力强度因子的计算方法和经验断裂 判据，主要成果有:A.Griffith用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃等脆性材料中的裂 纹扩展问题，提出了断裂临界应力作为材料断裂的判据，但模型基于线弹性理论， 仅限于理想脆性材料。1961年 wells提出了弹塑性条件的断裂COD准则: 当裂纹尖端 在荷载作用下张开位移达到临界值时，裂纹就会开裂，若继续增加载荷，达到裂纹 失稳点时，材料就失效破坏。1955年 J.R.Irwin用弹性力学理论分析了裂纹尖端应力 应变场，提出了裂纹尖端附近的强度因子，建立了裂纹强度因子判据。 我国的徐世烺和H.W.reinhardt系统发展了基于裂缝扩展粘聚力的 Kr阻力曲线准 则，建立了实用的双 K断裂准则，可用于描述半脆性材料的裂缝起裂,稳定扩展和失 稳破坏全过程。但主要问题有: 确定双 K 断裂参数的最小尺寸，全级配混凝土双 K 断裂参数的试验，不同强度等级混凝土及不同级配混凝土软化本构关系，不同强度 等级混凝土及不同级配混凝土断裂能 Gp的测定，同强度等级混凝土及不同级配混凝 土双 K 断裂参数的测定等。 刘黎，断裂损伤理论在混凝土中的应用研究，2013
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线弹性弹性断裂力学理论
Griffith研究了如图所示厚度为B的薄平板。上、下端受 到均匀拉应力作用，将板拉长后，固定两端。由Inglis解得到 由于裂纹存在而释放的弹性应变能为
1 2 U a 2 2 B E 1 U a 2 2 B E
平面应变 平面应力
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（1）线弹性断裂力学---当裂纹尖端塑性区的尺寸远小于裂纹长度，可根据线弹性理论 来分析裂纹扩展行为。
（2）弹塑性断裂力学---当裂纹尖端塑性区尺寸不限于小范围屈服，而是呈现适量的塑 性，以弹塑性理论来处理。
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概况
关于损伤破坏的图片
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概况
关于断裂破坏的图片
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• 断裂力学研究方法
断裂物理（细微观） 线弹性断裂力学（宏观）（1920~1973） 弹塑性断裂力学（宏观）（1960~1991） 宏微观断裂力学
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概况
两大假设：均匀、连续
均匀性假设仍成立，但且仅在缺陷处不连续
均匀性和连续性假设均不成立 断裂力学的分类： 断裂力学根据裂纹尖端塑性区域的范围，分为两大类：
线弹性弹性断裂力学理论
二.Orowan与Irwin对griffith理论的解释与发展
Orowan在1948年指出，金属材料在裂纹的扩展过程 中，其尖端附近局部区域发生塑性变形。因此，裂纹扩展 时，金属材料释放的应变能，不仅用于形成裂纹表面所吸
收的表面能，同时用于克服裂纹扩展所需要吸收的塑性变
形能（也称为塑性功）。
弹塑性断裂力学理论
COD准则 计算张开位移时，一般采用D-M模型，并以此建立 COD准则；
但要注意裂纹开裂临界值不是裂纹失稳扩展的临界值；
COD准则的限制主要来自于D-M模型的局限性
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弹塑性断裂力学理论
二、 J积分的定义和特性
COD准则的优点： 测定方法简单 经验公式能有效地解决中、低强度强度钢焊接结构及压力 容器断裂分析问题 缺点： 不是一个直接而严密的裂纹尖端弹、塑性应变场的表征 参量. Rice于1968年提出J积分概念，J积分主要应用于发电 工业，特别是核动力装置中材料的断裂准则。
撕开型裂纹(Ⅲ型):在平行于裂纹面 而与裂纹前沿线方向平行的剪应力