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1、-线弹性断裂力学-第 25 页线弹性断裂力学1、 概念：断裂力学：断裂力学是以变形体力学为基础，研究含缺陷（或者裂纹）材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律的一门学科。线弹性断裂力学：应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。2、 材料缺陷实际构件存在的缺陷是多种多样的，可能是冶炼中产生的夹渣、气孔，加工中引起的刀痕、刻槽，焊接时产生的裂缝、未焊透、气孔、咬边、过烧、夹杂物，铸件中的缩孔、疏松，以及结构在不同环境中使用时产生的腐蚀裂纹和疲劳裂纹。在断裂力学中，常把这些缺陷都简化为裂纹，并统称为“裂纹”。3、裂纹的类型（1）、按照裂纹的几何特征分类(a)
2、穿透裂纹：厚度方向贯穿的裂纹。(b)表面裂纹：深度和长度皆在构件的表面，常简化为半椭圆裂纹。(c)深埋裂纹：裂纹的三维尺寸都在构件内部，常简化为椭园裂纹。（2）按照裂纹的受力和断裂特征分类(a)张开型：（型，opening mode，or tensile mode）特征：外加拉应力垂直于裂纹面，也垂直于裂纹扩展的前沿线。在外力的作用下，裂纹沿原裂纹开裂方向扩展。(b)滑开型：（型, sliding mode, or in-plane shear mode）特征：外加剪应力平行于裂纹面，但垂直于裂纹扩展的前沿线。在外力的作用下，裂纹沿原裂纹开裂方向成一定角度扩展。(c)撕开型：（ 型, tear
3、ing mode, or anti-plane shear mode）特征：外加剪应力平行于裂纹面，也平行于裂纹扩展的前沿线。使裂纹面错开。在外力的作用下，裂纹基本上沿原裂纹开裂方向扩展。 型是最简单的一种受力方式，分析起来较容易，又称反平面问题。(d)混合型：( 或复合型，mixed mode ) 经常是拉应力与剪应力同时存在，实际问题多半是， 等，从安全的角度和方便出发，将混合型问题常做简化看成型处理。（3） 按裂纹形状分类根据裂纹的真实形状，一般可以分为圆型、椭圆型、表面半圆型、表面半椭圆型，以及贯穿直裂纹等。4、 裂纹对材料强度的影响具有裂纹的弹性体受力后，在裂纹尖端区域将产生应力集中
4、现象。受拉板，若无裂纹时，它的应力流线是均匀分布；当存在一个裂纹时，应力流线在裂纹尖端附近高度密集，但这种集中是局部性的，离开裂纹尖端稍远处，应力分布又趋于正常。现考虑一“无限大”薄平板，承受单向均匀拉应力作用，板中存在贯穿椭圆型切口，其长轴2a，短轴2b。根据弹性力学讨论，最大拉应力发生在椭圆长轴端点A（或）处，其值为该点处曲率半径，得椭圆裂纹处最大应力又可以写为由固体物理知识，固体材料的理论断裂强度值为式中E材料弹性模量；固体材料的表面能密度；固体材料的原子间距。为理论断裂强度，代表晶体在弹性状态下的最大结合力式中正弦曲线的波长 原子偏离平衡位置的位移如果原子位移很小，则，则由于我们研究的
5、是弹性状态下晶体的破环，当原子偏离平衡位置的位移很小时，由胡可定律得式中弹性应变原子间平衡时的距离则晶体脆性断裂时所消耗的功用来供给形成俩个表面所需要的表面能，则式中为裂纹表面上单位面积表面能则，得按照传统强度观点，当切口端点处最大应力达到材料的理论强度时，材料断裂，即因为，故得临界应力当存在理想尖裂纹时，说明，不管应力多大都断裂，显然与事实不符。这一疑问的答案正是连续介质力学与弹性理论的界限，因为固体是由原子组成，因此，当固体材料中的缺陷是尖端裂纹缺陷时，就可用原子间距代替裂纹尖端曲率半径，得研究表明，当表面能与裂纹长度取下面的取值时则其断裂应力比材料的理论值降低约100倍。这就从应力集中观
6、点解释了固体材料的实际断裂强度远低于其理论强度。当设计的最大应力达到断裂极限时，裂纹开裂，使裂纹长度2a增加，这样又将使断裂极限降低，则裂纹继续扩展，最后导致整个固体材料断裂，所以它是裂纹失稳扩展的条件。5、 探伤结果与裂纹尺寸的换算由公式可以看出，要确定出断裂极限，还需要知道裂纹扩展所需的表明能，以及已有裂纹的长度。裂纹的长度通常需要利用无损检测的方法来确定，目前流行的无损探伤技术有超声波探伤、磁粉探伤和荧光粉探伤技术。在测量裂纹长度时以下几点需要引起足够的重视：一、对确定的探伤设备及方法，有最小可识别缺陷的限制，设为因此，应假设结构中有尺寸为的初始缺陷。二、将探伤结果与解剖后实测缺陷尺寸对
7、比，可大致得到经验探伤结果与真是缺陷的换算比。如超声探伤，实际缺陷面积是探伤面积的23倍。三、此外还应引入安全系数。6、Griffith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 平面应力xy另一方面，Griffith认为，裂纹扩展形成新的表面，从而表面能增加，则俩个自由表面总的表面能（即裂纹表面能）为：其中：为单位面积上的表面能，裂纹面积。裂纹表面能：形成新的裂纹表面所需要的能量。由能量守恒，薄板产生裂纹所释放的弹性应变能转化为裂纹表面能。如果应变能释放率，等于形成新表面所需要吸收
8、的能量率，则裂纹达到临界状态；如果应变能释放率小于吸收的能量率，则裂纹稳定；如果应变能释放率大于吸收的能量率，则裂纹不稳定。因此可以得到如下表达式 临界状态 裂纹稳定 裂纹不稳定以平面应力为例，来考虑临界状态：，即，（式）注意：这里的为设计应力，此时我们可以得到断裂强度（即临界应力）为：同时：也可以给出裂纹的临界尺寸：这里将Griffith理论得到的，和前面的得到的做一比较，两式左边相同，所以：，得到结论：当裂纹尖端的曲率半径满足时，两种结果相当近似，往往把满足该条件的裂纹成为Griffith裂纹。缺点：Griffith理论研究的仅限于材料时完全脆性的情况，而绝大多数金属材料断裂前裂尖存在塑性
9、区域，不能应用该理论。7、 Orowan理论在Griffith理论提出30年之后，Orowan对金属材料裂纹扩展的研究发现，提供裂纹扩展的弹性应变能不仅用于形成新的表面，还用于引起塑性变形所需的能量，即“塑性功”。塑性功率：裂纹扩展单位面积时，内力对塑性变形做“塑性功”，称为“塑性功率”，用表示。则总塑性功为。据此可得：得临界应力及裂纹临界尺寸。简化：对于金属材料，通常比大三个数量级，因而可忽略不计。因此上面的式子可以写为：临界应力及裂纹临界尺寸。小结：理论断裂强度推出Griffith断裂极限Orwan断裂极限得出断裂强度与成反比解释了玻璃、陶瓷等脆性材料的断裂。该理论考虑的裂纹在扩展过程中的
10、塑性功，适用于大多数金属材料的断裂分析注：这些是基于平面应力问题，对于平面应变问题，只需将E变为即可。8、 能量释放率及其断裂判据从能量守恒和功能转换关系来研究裂纹扩展过程，由此可以更清楚地揭示断裂韧性的物理意义。断裂韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。设有一裂纹体，其裂纹面积A，若其裂纹面积扩展了dA，在这个过程中载荷所做的外力功为dW，体系弹性应变能变化了dU，塑性功变化了d，裂纹表面能增加dS。如果不考虑
11、热功间转换，则由能量守恒和转换定律，得合外力所做的功等于系统内能的改变量。式中d与dS表示裂纹扩展dA时所需要的塑性功和裂纹表面能（对于金属材料，通常比大三个数量级，S可以相对于项略去不计），它们可以视为裂纹扩展所需要消耗的能量，也即阻止裂纹扩展的能量。记裂纹扩展dA时弹性系统释放（耗散）的能量（势能）为，则有裂纹扩展能量释放率：定义裂纹扩展单位面积弹性系统释放的能量为裂纹扩展能量释放率，用G表示，则有它表示系统势能的减少，假设裂纹体的厚度为B，裂纹长为a,则dA=Bda，上式变为：。裂纹扩展阻力率：定义裂纹扩展单位面积所需要消耗的能量为裂纹扩展阻力率，用R或表示，则，则材料一定，上述R或为常
12、数，称为材料的断裂韧度。可实验测得。当G达到时，裂纹将失去平衡，开始失稳扩展。所以能量释放率断裂依据为。9、G的表达式（一）恒位移情况2a弹性体受载荷P作用，产生位移后，固定上下两端，构成恒位移的能量封闭系统。则d=0，dW=0，所以系统释放的应变能用于推动裂纹扩展，因此，裂纹扩展的能量释放率就是弹性体的应变能释放率。在线弹性情况下：，又知，式中c为弹性体的柔度，它是裂纹长度a的函数，即c=c(a)。则因此断裂韧度可计算为：10、G表达式（二）恒载荷情况2a弹性体受不变的载荷P作用，裂纹扩展da时，载荷不变(dP=0),位移变化为d，故应变能的变化为外力功改变为因此断裂韧度可计算为小结：恒位移
13、情况恒载荷情况比较位移恒定与载荷恒定情况下推导的断裂韧度，发现：该式表明：恒位移或恒载荷情况下，可以有统一的表达式，它反映了裂纹扩展能量释放率与试件柔度之间的关系，成为Irwin-Kies关系。11、平面问题（应力应变与z轴无关，只是平面x，y坐标的函数）俩个平衡方程：三个几何方程：三个物理方程：用应力表示的相容方程：在弹性力学中，引入艾里应力函数，使得应力函数满足相容方程（协调方程）、应力边界条件和位移边界条件（双调和方程）平面应力（应力二维）与平面应变（应变二维）问题的异同应力、应变、位移的差别。12、复变函数求解平面问题很多带裂纹的弹性体问题，用复变函数解决更方便。定义一个应力函数，其中
14、若Z为解析函数，那么导数必定能够确定从而导出Cauchy-Riemann条件：采用Westergaurd应力函数，其中，根据Cauchy-Riemann方程有说明Westergaurd应力函数自动满足协调方程得应力分量：将应力分量代入物理方程，并利用几何方程，可得 平面应变：平面应力： 13、型裂纹如图考虑一个无限大平板，裂纹长2a，在无限远处作用双向均匀拉应力。此问题边界条件：在裂纹上无外力作用，即在y=0，处，；在无穷远处，即处，。选取函数Z(z)为 此函数满足边界条件。为方便计算，坐标代换：，即；相当于把坐标原点移在了右顶点上。所以： 式中；在裂纹右尖端附近，即当时，有极限值，并等于一常
15、数。令，其中称为应力强度因子。应力强度因子是表征裂纹尖端附近应力场的一个有效参量，可以作为判断裂纹是否将进一步进入失稳状态的一个指标。在裂纹尖端附近，在很小的范围内，为代入中得是在裂纹尖端处存在的极限；若只考虑裂纹尖端处附近的一个微小区域，则近似地成立以下关系： 即 以极坐标表示复变函数：考虑到，则而并考虑到，便得到裂纹尖端附近应力场和位移场表达式（式）对于无限大板中心裂纹受双向拉应力作用情况，有对于型裂纹，是关键性的应力，在裂纹延长线上，则13、 型裂纹。型裂纹问题所受的是均匀剪应力作用，如图所示。边界条件：在裂纹面上无外力作用，即y=0，应力为0；无穷远处，只有剪应力作用。选取满足边界条件
16、的用力函数为：为方便计算，坐标代换：，即；相当于把坐标原点移在了右顶点上。所以： 式中在裂纹右尖端附近，即当时：得；则在裂纹尖端有14、 型裂纹。III型裂纹问题与I、II型不同，它是反平面问题。裂纹面沿z轴错开，只有z方向有位移。选取满足边界条件的函数为，为方便计算，坐标代换：，即；相当于把坐标原点移在了右顶点上。所以： 式中在裂纹右尖端附近，即当时：得；则在裂纹尖端有15、 应力强度因子断裂判据参量、分别称为、型裂纹尖端应力场强度的因子，简称应力强度因子。应力强度因子是表征裂纹尖端附近应力场的一个有效参量，可以作为判断裂纹是否将进一步进入失稳状态的一个指标。它是控制了裂纹尖端应力、应变场，
17、是表示场强的物理量。在工程构件内部，型裂纹是最危险的，实际裂纹即使是复合型裂纹，为了更加安全也往往把它看作型裂纹处理，因此，我们的重点将是型裂纹。由此可见，随着应力增大（或裂纹扩展）将不断增大，当增大到足以使裂纹前端材料分离从而裂纹发生失稳扩展时，就称为到达临界状态。标记该临界值为，则该临界值表征了材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗断裂的一个韧性指标，成为断裂韧性。因此，脆性断裂的应力强度因子判据可以表示为。（1）断裂韧度与试件厚度B的关系一般随材料厚度B的增加而下降。（2）断裂韧度与材料屈服强度的关系对于某些金属材料，屈服强度增高，断裂韧度会有所下降。（3）断裂韧度与温度的关系降低材料温度往
18、往会增加材料强度，而降低材料的断裂韧度。实验表明：材料的断裂韧度还依赖于温度、加载速度、环境、金属合金纯度以及裂纹尖端区域的冶金性质。如：提高金属合金纯度，对强度影响不大，但往往能提高断裂韧度。应力强度因子K及断裂韧度的量纲为，工程单位，国际单位或。建立了断裂判据，就可以分析问题了。但应用“K判据”有2个基础工作：1、掌握构件的“伤情”；2、测出材料的断裂韧性值。应力由断裂韧性公式可知，临界拉应力：裂纹临界尺寸：。16、深埋裂纹问题处理在断裂力学中，常将内部缺陷视为深埋裂纹。Green和Senddon曾求解无限大体中的椭圆片状裂纹问题（如图）。远场受垂直于椭圆片所在平面的均匀拉应力作用，椭圆片
19、的长轴2c，短轴2a，裂纹边界点P满足方程：或用参量表示：P点的应力强度因子求出为：式中当或，此时修正系数有最大值：当或，此时修正系数有最小值：可以做如下讨论：（1） 在（园片状裂纹）时，所以：此时园片状裂纹前缘各点处的应力强度因子据相等。（2）当或时，故有；在即椭圆短轴端点处，有最大值为。这说明当时，无限大体内的椭圆片状裂纹可以近似的按无限大体内的中心贯穿裂纹来处理。17、 表面裂纹问题处理工程上遇到的更多为表面裂纹，一般做法是根据前述无限大体中椭圆片裂纹的解经过修正近似处理，以下我们来看其主要步骤：（1）进一步研究，修正系数M1的表达式如下，尤其对于不是很小的深裂纹（2）若裂纹背面与体表面
20、比较接近的时候，需设置修正系数M2其表达式及应力强度因子可表示为式中M为弹性校正因子或弹性修正系数。工程上近似计算，也常用如下公式18、 K判据的工程应用实例应力强度因子：脆性断裂的应力强度因子判据：例题1. 确定带裂纹构件的临界载荷问题提出：已知构件的几何因素，裂纹尺寸和材料的韧性值，运用“K判据”，可确定带裂纹构件的临界载荷。例题：中心具有穿透裂纹的厚板条，远端承受拉伸作用，板的宽度为200mm,裂纹长为80mm。板的材料为铝合金，其39MNm(-3/2)，计算此半条的临界载荷。F裂纹F解：查附录C-3-1，得集中因子的几何形状因子为：式中a为裂纹半长度，W为板宽。例题2. 确定容限裂纹尺
21、寸问题提出：当给定载荷、材料的断裂韧性值以及裂纹体的几何形态以后，运用“K判据”，可以确定裂纹的容限尺寸，即裂纹失稳扩展时对应的裂纹尺寸。例题：某种合金钢在不同回火温度下，测得性能如下：设应力强度因子为，且工作应力为。试求两种回火温度下构件得容限裂纹尺寸。解：由应力强度公式，得从强度指标看275回火温度的合金钢材略优于600回火温度的合金钢材；但从断裂性能指标看，600回火温度的合金钢材比275的裂纹是难以避免的，因此从安全考虑，应选用600的回火温度的合金钢材。例题3. 评定与选择材料问题提出：按照传统得设计思想，选择与评定材料主要着眼屈服强度或强度极限，对于交变应力作用则选择持久强度，但按
22、抗断裂观点，应选用KIC高得材料。不少时候材料屈服强度越高KIC值就越低，所以评定与选择材料应该两者兼顾，全面评价。例题：现设计一高强度材料的压力容器，设计许用应力，采用的无损探伤设备只能发现大于1mm深度的裂纹。因此可以假定容器内壁焊缝热影响区沿母线方向（最不利位置和最不利方向）存在深度a=1mm，长度c=2a的表面浅裂纹。现有两种材料，力学性能如表。全面考虑，以选择何种材料为佳？解：从静强度分析：从断裂力学角度分析：由附录C-4-6可查得，为第二类完整椭圆积分。由附录C-1可查得，。金属材料在裂尖区不可避免存在一个小塑性区，在塑性区里应力有松弛，考虑这种作用效应，a 可修正为：取许用应力为
23、容器的工作应力，即，则由此可见，本问题选择B材比选择A材优越，它既满足强度要求，又有合适的抗断裂能力。如果仅按照传统设计思想而不从断裂力学观点分析，选用A材则必然会导致容器低应力脆断。19、G与K的关系从能量观点给出了裂纹失稳扩展得判据 ，从裂纹尖端应力场分析，引出了裂纹失稳扩展得另一判据。这两个判据描述得是同一问题，它们之间满足关系：（平面应力）（平面应变）或（平面应力）（平面应变）在裂纹失稳扩展的临界状态（平面应力）（平面应变）或（平面应力）（平面应变）尽管有两种断裂判据，但在工程应用上，一般多采用“K判据”。因为K因子得计算比较方面，而得测量也比较简单，因此，在线弹性断裂力学中，“K判据
24、”是我们讨论得重点。20、 屈服判据材料力学中四大强度理论：1. 最大拉应力理论：认为最大拉应力是引起断裂的主要因素。2. 最大拉应变理论：认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素。3. 最大切应力理论(Tresca)：认为最大切引力是引起屈服的主要因素。4. 畸变能理论(Von Mises)：认为畸变能密度是引起屈服的主要因素。从前面的讨论，对于I型裂纹尖端，从公式可知，当时，即在裂纹尖端存在奇异性。但对于实际金属材料来说，当裂纹前端正应力达到材料的有效屈服应力，材料就要屈服，所以在裂纹尖端会产生一个微小的塑性区域，从而使裂纹尖端区有应力松弛。对于平面问题，应力分量为：平面应力平面应变对于型裂
25、纹，有前面讨论的式，得主应力：在裂纹延长线上（即X轴上），=0则（平面应力），（平面应变）我们把塑性区的最大主应力叫作有效屈服应力，用表示。根据最大剪应力屈服判据，得（平面应力）（平面应变）对于型裂纹（平面应力）（平面应变）21、裂纹前端屈服区的大小在裂纹延长线上（X轴上），最大主应力，它就是，随着坐标r而变化（如图），r越小，值越大，当，从而时，材料就屈服。由此可定出屈服区在X轴上尺寸为：由于（平面应力）（平面应变）因此可得：（平面应力）（平面应变）对于I型裂纹，平面应变情况下，因此平面应变的塑性区尺寸为：结论：可见平面应变问题比平面应力问题塑性区要小很多。如果我们用Mesis判据，将I型裂
26、纹主应力代入上面式子中，得到：平面应力（）：平面应力（）：得到塑性区方程为平面应力（）：平面应力（）：前面曾指出，若不考虑屈服，I型裂纹前端应力分布，随r而变化，一旦屈服，则屈服区内的最大主应力恒等于屈服应力（不考虑加工硬化）。因此在屈服在（）多出的那部分应力（积分应力：等于下图中阴影线画出的面积ABD）叫要松弛掉。区域内松弛掉的应力传给的区域。它使前方局部区域的内力升高，从升高到，从而使这部分区域也发生屈服。这就是说，屈服区内应力松弛的结果将导致屈服区进一步扩大，从扩大到R。经计算：（平面应力）（平面应变）即，应力松弛后塑性区增大了一倍。在裂纹失稳扩展的临界状态，因而最大塑性区尺寸为（平面应
27、力）（平面应变）22、塑性区修正对于大多数实际金属材料，裂纹前端总存在一个或大或小的塑性区（即屈服区），当塑性区尺寸很小时，称为小范围屈服，此时裂纹前端大部分区域仍是弹性区，如果对塑性区影响作出修正，线弹性力学的分析仍然适用。应力松弛会引起裂纹刚度下降，与裂纹长度增加效果一致。因此，修正裂纹长度为有效裂纹长度为时，则可以不考虑塑性区的存在,仍用线弹性断裂力学来处理问题，经研究可得：（平面应力）（平面应变）一般工程应用，得（平面应力）（平面应变）由此可见：两种状态下应力强度因子都增大了，增大系数分别为（平面应力）（平面应变）这里，塑性区中应力松弛导致增大所致，因此称为塑性修正因子。对于工程上多见的表面半椭圆裂纹，修正系数表达式为：最后须指出，上面的分析只是用于所谓“小范围屈服”，即裂纹尖端塑性区尺寸与裂纹长度及构件尺寸相比小于一个数量级以上时，方可在塑性修正后仍用线弹性断裂理论来处理。对于裂纹尖端区域的大范围屈服甚至全面屈服问题，则必须用弹塑性断裂理论来处理。