断裂力学(JH)

(b)表面裂纹；裂纹位
于构件表面，或裂纹
深度相对构件厚度比
较小就作为表面裂纹
处理。对于表面裂纹
常简化为半椭圆形裂
图2-1 裂纹的几何特征分类图
纹。
(a)穿透裂纹；(b)表面裂纹；(c)深埋裂纹
二、裂纹体扩展类型
2、裂纹的分类 按裂纹的几何特征分 类： (c)深埋裂纹：裂纹位 于构件内部，常简化 为椭圆片状裂纹或圆 片裂纹。
二、裂纹体扩展类型
2、裂纹的分类
按裂纹的几何特征分 类：
(a)穿透裂纹；贯穿构
件厚度的裂纹称为穿 透裂纹 。通常把裂纹
延伸到构件厚度一半
以上的都视为穿透裂
纹，并常作理想尖裂 纹处理。
图2-1 裂纹的几何特征分类图 (a)穿透裂纹；(b)表面裂纹；(c)深埋裂纹
二、裂纹体扩展类型
2、裂纹的分类
按裂纹的几何特征分 类：
图2-1 裂纹的几何特征分类图 (a)穿透裂纹；(b)表面裂纹；(c)深埋裂纹
二、裂纹体扩展类型
按裂纹的力学特征 分类
张开型(Ⅰ型)
– 在与裂纹面正交
的拉应力作用下，
裂纹面产生张开
(a） （b） （c）
图2-2 裂纹力学特征分类图
位移而形成的一
种裂纹
(a)张开型(Ⅰ型) (b)滑开型(Ⅱ型) (c)撕 开型(Ⅲ型)
应变线性相加
三、力学基础
如单元体在x方向的应变由3部
分构成
– 由于σx 作用而引起的纵向伸长 x x E
– 由于σy 作用而引起的横向缩短
x
y
E
– 由于σz作用而引起的横向缩短
x
z
E
则在x（σx ）方向的总应变为
x

x
– 所谓断裂力学，就是从材料或构件中存在宏观 裂纹这一点出发，应用弹性力学和塑性力学理 论，研究材料或结构中裂纹产生和扩展的条件 及规律的学科
2、断裂力学的研究任务
– 研究裂纹顶端的应力应变场 – 研究宏观裂纹失稳扩展引发脆性断裂的条件 – 建立裂纹尺寸与应力之间的关系
一、断裂力学的概念、任务及分类
二、裂纹体扩展类型
按裂纹的力学特征 分类 滑开型(Ⅱ型) – 在平行于裂纹面
而与裂纹尖端线 垂直方向的剪应 力作用下，使裂 纹面产生沿裂纹 面的相对滑动而 形成的裂纹
(a） （b） （c）
图2-2 裂纹力学特征分类图
(a)张开型(Ⅰ型) (b)滑开型(Ⅱ型) (c)撕 开型(Ⅲ型)
二、裂纹体扩展类型
四、应力强度因子断裂理论
张开型裂纹尖端附 近的应力场和位移 场 – 无限宽板内有一
广大弹性区所包围的裂纹的扩展规律与断裂问 题。即应用弹塑性力学理论研究裂纹扩展的规 律及脆断问题。
一、断裂力学的概念、任务及分类
3、断裂力学按研究内容分类 概率断裂力学(PFM) (Probabilistic Fracture Mechanics) 微观断裂力学(MFM) (Micro—Fracture Mechanics) 断裂力学工程应用 ——工程断裂力学 （Engineering Fracture Mechanics）
需求出三个应力分量σx 、σy和τ x y。 – 两者的区别： – 平面应力：σz = 0 – 平面应变：σz = v（σx +σy ）
四、应力强度因子断裂理论
1、裂纹尖端附近的应力场与位移场
– 断裂力学认为，裂纹的扩展取决于裂纹 前缘的应力场
– 在弹性力学中可以看作是平面问题，可 根据平面问题的求解方法采求裂纹前端 附近各点的应力分量和应变分量
3、断裂力学按研究内容分类
线弹性断裂力学(LEFM ） (Linear Elastic Fracture Mechanics) – 研究裂纹体尖端地区在断裂过程中没有或很少
发生塑性变形的裂纹扩展规律。 弹 塑 性 断 裂 力 学 ( EPFM) (Elastic—Plastic Fracture Mechanics) – 研究裂纹尖端地区发生大规模塑性屈服而又被
x
x
1 E
x

y
z
三、力学基础
广义虎克(Hooke)定律
x

1 E
x

y
z
y

1 E
y
z
x
z

1 E
z

x
y

xy

xy

yz

yz
xz

xz
单元体应力分量：
正应力σx ，σy ，σz 剪应力 τ x y ，τ y z ，τz x 单元体应变分量 ：
线应变εx 、εy 、εz 剪应变r xy 、r yz 、r xz
图2-11 一点的应力分量
三、力学基础
2、广义虎克(Hooke)定律 – 在弹性范围内，应力与应变成比例，即 – σx = E·εx – 合应变可用各应力分量单独作用产生的
E 2(1 )
三、力学基础
3、平面应力和平面应变 – 平面应力状态 – 含义：体内仅存有三个应力分量，即σx 、
σy和τ x y，且与z坐标无关。
三、力学基础
平面应变状态 – 含义：体内仅存有三个应力分量，即εx、
εy 和rxy，且与z坐标无关。 – 平面应变问题和平面应力问题一样，只
按裂纹的力学特征 分类
撕开型(Ⅲ型)
在平行于裂纹面而 与裂纹尖端线平行 方向的剪应力作用 下，使裂纹面产生 沿裂纹面外的相对 滑动面形成的裂纹
(a） （b） （c）
图2-2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ裂纹力学特征分类图
(a)张开型(Ⅰ型) (b)滑开型(Ⅱ型) (c)撕 开型(Ⅲ型)
三、力学基础
1、应力分量和应变分量
应力、主应力
– 抗断设计计算（容限设计）；选材及指导工艺; 估算结构的疲劳寿命
二、裂纹体扩展类型
1、金属材料的缺陷
材料或构件中存在宏观（缺陷）裂纹的原因—— 冶金、制造、使用过成 材料或构件中存在宏观裂纹的普遍性 实际构件存在的缺陷是多种多样的，除了裂纹， 还可能是冶炼中产生的夹渣、气孔，加工中引起 的刀痕，刻槽，焊接中的气泡、未焊透等，在断 裂力学中，常把这些缺陷都简化为裂纹，并统称 “裂纹”
国际焊接工程师
培训课程2 断裂力学基础
断裂力学基础
吉林大学 徐德生 2010年4月
主要内容
断裂力学的概念、任务及分类 裂纹体扩展类型 力学基础 应力场强度因子断裂理论 I型裂纹尖端的塑性区及应力场强度因子修
正 弹塑性断裂力学概述
一、断裂力学的概念、任务及分类
1、断裂力学的概念