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1、断裂力学基础第1页，本讲稿共15页断裂是工程构件最危险的失效方式之一。其中断裂是工程构件最危险的失效方式之一。其中断裂是工程构件最危险的失效方式之一。其中断裂是工程构件最危险的失效方式之一。其中脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂比比比比韧韧韧韧性断裂性断裂性断裂性断裂更具危险性。因为脆性断裂更具危险性。因为脆性断裂更具危险性。因为脆性断裂更具危险性。因为脆性断裂是突然发生的破坏，断是突然发生的破坏，断是突然发生的破坏，断是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。裂前没有
2、明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础 研研究究背背景景 第2页，本讲稿共15页按照传统力学设计，只要求工作应力按照传统力学设计，只要求工作应力按照传统力学设计，只要求工作应力按照传统力学设计，只要求工作应力小于许用应小于许用应小于许用应小于许用应力力力力，即，即，即，即,就被认为是安全的了。就被认为是安全的了。就被认为是安全的了。就被认为是安全的了。材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础 研研究究背背景景 而而而而，对塑性材料，对塑性材料，对塑性材料，对塑性材料=s s s s/n/
3、n/n/n，对脆性材料，对脆性材料，对脆性材料，对脆性材料=b b b b/n/n/n/n，其中，其中，其中，其中n n n n为安全系数。为安全系数。为安全系数。为安全系数。第3页，本讲稿共15页经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力
4、学基础 研研究究背背景景 原来，原来，原来，原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体没有裂纹的理想固体没有裂纹的理想固体没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制，但是实际的工程材料，在制，但是实际的工程材料，在制，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，备、加工及使用过程中，备、加工及使用过程中，备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷都会产生各种宏观缺陷都会产生各种宏观缺陷都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。乃至宏观裂纹。乃至宏观裂纹。乃至
5、宏观裂纹。第4页，本讲稿共15页人们在研究中发现人们在研究中发现人们在研究中发现人们在研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一低应力脆断总是和材料内部含有一低应力脆断总是和材料内部含有一低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹定尺寸的裂纹定尺寸的裂纹定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下相联系的，当裂纹在给定的作用应力下相联系的，当裂纹在给定的作用应力下相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂
6、力学基础 研研究究背背景景 因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂问题，断裂问题，断裂问题，断裂力学就应运而生断裂力学就应运而生断裂力学就应运而生断裂力学就应运而生。第5页，本讲稿共15页可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了了了了含裂纹体的断裂判据含裂纹体的断裂判据含裂纹体的断裂判据含裂纹
7、体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的，并提出一个材料固有性能的，并提出一个材料固有性能的，并提出一个材料固有性能的指标指标指标指标断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。力。力。力。材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础 研研究究背背景景 第6页，本讲稿共15页 材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础三三个个发发展展阶阶段段1 1无缺陷经验理论阶段（从伽利略到二战前）无缺陷经验理论阶段（从伽利略到二战前）无缺陷经验理论
8、阶段（从伽利略到二战前）无缺陷经验理论阶段（从伽利略到二战前）不引入任何缺陷尺度不引入任何缺陷尺度不引入任何缺陷尺度不引入任何缺陷尺度以以以以变形量、塑性屈服变形量、塑性屈服变形量、塑性屈服变形量、塑性屈服等破坏先兆现象作为防范目标。等破坏先兆现象作为防范目标。等破坏先兆现象作为防范目标。等破坏先兆现象作为防范目标。第7页，本讲稿共15页材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础三三个个发发展展阶阶段段2 2宏观断裂力学阶段（从二战至今）宏观断裂力学阶段（从二战至今）宏观断裂力学阶段（从二战至今）宏观断裂力学阶段（从二战至今）引入引入引入引入宏观缺陷，但不考虑细微
9、观缺陷宏观缺陷，但不考虑细微观缺陷宏观缺陷，但不考虑细微观缺陷宏观缺陷，但不考虑细微观缺陷以断裂等破坏终极现象作为防范目标。以断裂等破坏终极现象作为防范目标。以断裂等破坏终极现象作为防范目标。以断裂等破坏终极现象作为防范目标。第8页，本讲稿共15页材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础三三个个发发展展阶阶段段3 3宏微观断裂理论阶段（自宏微观断裂理论阶段（自宏微观断裂理论阶段（自宏微观断裂理论阶段（自8080年代兴起）年代兴起）年代兴起）年代兴起）追溯从变形、损伤至断裂的全过程追溯从变形、损伤至断裂的全过程追溯从变形、损伤至断裂的全过程追溯从变形、损伤至断裂的
10、全过程引入多层次的缺陷几何结构。引入多层次的缺陷几何结构。引入多层次的缺陷几何结构。引入多层次的缺陷几何结构。第9页，本讲稿共15页断裂过程具有跨学科跨尺度的特点，需各个学科背景的科研人员合作断裂过程具有跨学科跨尺度的特点，需各个学科背景的科研人员合作从不同角度、不同层面来进一步理解断裂的产生、发展和失效的整个从不同角度、不同层面来进一步理解断裂的产生、发展和失效的整个过程。过程。材料科学材料科学物理（热、电、磁、力）物理（热、电、磁、力）纳米技术纳米技术材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础第10页，本讲稿共15页 断断裂裂类类型型 1 1、宏观上两种断裂类
11、型和特征：、宏观上两种断裂类型和特征：、宏观上两种断裂类型和特征：、宏观上两种断裂类型和特征：根据材料断裂前和断裂过程中吸收能量的大小，可将断裂根据材料断裂前和断裂过程中吸收能量的大小，可将断裂根据材料断裂前和断裂过程中吸收能量的大小，可将断裂根据材料断裂前和断裂过程中吸收能量的大小，可将断裂分为分为分为分为脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂脆性断裂和韧性断裂两类。两类。两类。两类。脆性断裂的特征：断裂前不发生明显的宏观塑性变形，即断裂发生在弹脆性断裂的特征：断裂前不发生明显的宏观塑性变形，即断裂发生在弹脆性断裂的特征：断裂前不发生明显的宏观塑性变形，即断裂发生在弹脆性断裂
12、的特征：断裂前不发生明显的宏观塑性变形，即断裂发生在弹性变形阶段、吸收的能量很小。性变形阶段、吸收的能量很小。性变形阶段、吸收的能量很小。性变形阶段、吸收的能量很小。事实上，金属中绝对的脆性断裂是很少见的，因为断裂前总是要伴随那事实上，金属中绝对的脆性断裂是很少见的，因为断裂前总是要伴随那事实上，金属中绝对的脆性断裂是很少见的，因为断裂前总是要伴随那事实上，金属中绝对的脆性断裂是很少见的，因为断裂前总是要伴随那怕是很小的塑性变形。但环境影响因素除外。怕是很小的塑性变形。但环境影响因素除外。怕是很小的塑性变形。但环境影响因素除外。怕是很小的塑性变形。但环境影响因素除外。材料的断裂力学基础材料的断
13、裂力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础第11页，本讲稿共15页正断正断正断正断：垂直于最大正应力或正应变方向发生的断裂叫正断。垂直于最大正应力或正应变方向发生的断裂叫正断。垂直于最大正应力或正应变方向发生的断裂叫正断。垂直于最大正应力或正应变方向发生的断裂叫正断。切断切断切断切断：沿着最大切应力方向发生的断裂叫切断。沿着最大切应力方向发生的断裂叫切断。沿着最大切应力方向发生的断裂叫切断。沿着最大切应力方向发生的断裂叫切断。断口分析定义两种宏观断口类型：断口分析定义两种宏观断口类型：断口分析定义两种宏观断口类型：断口分析定义两种宏观断口类型：断断裂裂类类型型 材料的断裂力学基础材料的断裂
14、力学基础材料的断裂力学基础材料的断裂力学基础第12页，本讲稿共15页裂纹的种类裂纹的种类裂纹的种类裂纹的种类根据裂纹体的受载和变形情况，裂纹分为三种根据裂纹体的受载和变形情况，裂纹分为三种根据裂纹体的受载和变形情况，裂纹分为三种根据裂纹体的受载和变形情况，裂纹分为三种。(1)1)张开型张开型(或称拉伸型或称拉伸型)裂裂纹纹 外加正应力垂直于外加正应力垂直于裂纹面，在应力裂纹面，在应力作用下作用下裂纹尖端张开，扩展方裂纹尖端张开，扩展方向和正应力垂直。这种向和正应力垂直。这种张开型裂纹通常简称张开型裂纹通常简称I型型裂纹。裂纹。I型（张开）第13页，本讲稿共15页裂纹的种类裂纹的种类裂纹的种类裂
15、纹的种类(2)滑开型滑开型(或称剪切型或称剪切型)裂纹裂纹剪切应力平行于裂纹面，裂剪切应力平行于裂纹面，裂纹滑开扩展，通常称为纹滑开扩展，通常称为型裂纹。型裂纹。II型（滑开）第14页，本讲稿共15页裂纹的种类裂纹的种类裂纹的种类裂纹的种类(3)撕开型裂纹撕开型裂纹在切在切应应力作用下，一个裂力作用下，一个裂纹纹面在面在另一裂另一裂纹纹面上滑面上滑动动脱开，裂脱开，裂纹纹前前缘缘平平行于滑行于滑动动方向，如同撕布一方向，如同撕布一样样，这这称称为为撕开型裂撕开型裂纹纹，也，也简简称称型裂型裂纹纹。实际工程构件中裂纹形式大多属于实际工程构件中裂纹形式大多属于I型裂纹，也是最危险型裂纹，也是最危险一种裂纹形式，最容易引起低应力脆断。一种裂纹形式，最容易引起低应力脆断。III型（撕开）第15页，本讲稿共15页