斷裂力學(xué)的發(fā)展與展望

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院　重慶　400041)

一、引言

斷裂力學(xué)興起是，第一次工業(yè)革命已經(jīng)接近尾聲，第二次工業(yè)革命隨之而來(lái)，越來(lái)越多的破壞用傳統(tǒng)的解釋行不通。人們對(duì)設(shè)備的要求也越來(lái)越高，對(duì)材料的強(qiáng)度精確度也越來(lái)越高。隨著第二次工業(yè)革命的興起，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的設(shè)備達(dá)不到現(xiàn)實(shí)生活生產(chǎn)的需要，往往這些設(shè)備會(huì)在使用年限以內(nèi)就報(bào)廢。所以最近幾十年的時(shí)間，各國(guó)科學(xué)學(xué)針對(duì)斷裂力學(xué)的研究日新月異。斷裂力學(xué)不同于傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論，首先它承認(rèn)了材料不可避免的存在裂紋，并把裂紋作為一種邊界條件來(lái)考察應(yīng)力，應(yīng)變等參數(shù)[1]。由于斷裂力學(xué)一開(kāi)始就考慮到了材料內(nèi)部原來(lái)的缺陷，把材料看作一個(gè)非理想體，在加上材料制作工藝的限制造成切口存在氣泡等雜質(zhì)，因此斷裂力學(xué)也被稱為裂紋力學(xué)。

二、經(jīng)典斷裂力學(xué)的發(fā)展

(一)線彈性斷裂力學(xué)

在斷裂力學(xué)中，把斷裂的形式分為三種，實(shí)際中任何一種斷裂形式都可以看作是這三種中的一種或者是它們中的疊加。第一種屬于張開(kāi)型斷裂，就是斷裂的方向垂直于拉力方向；第二種屬于滑移型斷裂，就是斷裂的方向沿拉力的切線；第三種屬于撕裂型斷裂，類似于表面環(huán)形裂縫。實(shí)際中最多見(jiàn)的就是第一種斷裂形式。

線彈性斷裂力學(xué)是基于線彈性理論。它研究的材料是本身帶缺陷的材料，理想情況下材料的理論強(qiáng)度是帶缺陷材料強(qiáng)度的十幾倍甚至幾十倍[2]。

1955年，G.R.Irwin(歐文)用彈性力學(xué)理論分析了裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)后提出了簡(jiǎn)單但很實(shí)用的公式[3]，即三種類型裂紋尖端領(lǐng)域的應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)公式，其中的應(yīng)力強(qiáng)度因子記為K1。應(yīng)力強(qiáng)度因子是人為規(guī)定的用來(lái)表示裂紋局部強(qiáng)度的一個(gè)參數(shù)。那么裂紋不發(fā)生擴(kuò)展的應(yīng)力就參照材料力學(xué)命名為臨界應(yīng)力強(qiáng)度，假如應(yīng)力強(qiáng)度大于臨界值，那么裂紋就會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，大量的實(shí)驗(yàn)證明了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kcr的大小不僅與材料的形狀有關(guān)，也和材料自身的屬性有關(guān)[4]。應(yīng)力強(qiáng)度因子為材料的斷裂提供了線彈性下的斷裂依據(jù)。

(二)彈塑性斷裂力學(xué)

線性彈性斷裂力學(xué)的局限在于它將材料視為理想的線彈性，以此來(lái)研究裂紋的發(fā)展規(guī)律。根據(jù)是材料力學(xué)的強(qiáng)度準(zhǔn)則。但是裂紋的分布一般是不均勻的，材料自身存在非彈性去，即有部分塑性區(qū)，塑性區(qū)對(duì)于彈性應(yīng)力的影響如何，對(duì)于應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響仍然有待進(jìn)一步研究，在這種情況下，工程師們提出了研究彈塑性材料也研究斷裂力學(xué)。1960年前后，斷裂力學(xué)開(kāi)始出現(xiàn)，Paris根據(jù)斷裂力學(xué)相關(guān)知識(shí)來(lái)解釋疲勞裂紋擴(kuò)展速率，產(chǎn)生了Paris公試，極大的促進(jìn)損傷安全設(shè)計(jì)法的發(fā)展[5]。第一次實(shí)現(xiàn)了斷裂力學(xué)和疲勞損傷的結(jié)合，一舉奠定疲勞設(shè)計(jì)與分析的基石。目前用來(lái)研究彈塑性斷裂力學(xué)的方法主要有二種，即COD法和J積分法最為普遍[6]。COD法是1965年Wells(威爾斯)在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出以裂紋尖端的張開(kāi)位移描述其應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng).裂紋尖端張開(kāi)位移，即裂紋體受載后，在原裂紋尖端垂直裂紋方向上所產(chǎn)生的位移而首先提出了彈塑性條件的斷裂準(zhǔn)則[7]。用COD表示斷裂判斷依據(jù)就是σ=δc。1968年，Rice(賴斯)提出了J積分理論.以J積分為參數(shù)并建立斷裂準(zhǔn)則，J積分是圍繞裂紋尖端作閉合曲線的積分.在J積分方法中[8]，斷裂韌性用JIc表示，于是斷裂依據(jù)就成為J=JIc.

(三)斷裂動(dòng)力學(xué)

裂紋的擴(kuò)展分為兩種，一種是裂紋隨著時(shí)間而發(fā)生的變化，第二種是裂紋在疲勞作用下的變化情況。在這種情況下，必須考慮材料的慣性效應(yīng)。70年代初，Sih與Loeber(洛依伯)導(dǎo)出了外載隨時(shí)間變化而裂紋是穩(wěn)定的情況的漸近應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)，Rice等多人先后導(dǎo)出了裂紋以等速傳播情況的漸近應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)，并提出了裂紋穩(wěn)定而外載隨時(shí)間迅速變化情況下的裂紋開(kāi)裂準(zhǔn)則[9]。1850年左右A.Wohler首先開(kāi)始了對(duì)金屬疲勞的研究，研究的比較深入，提出了疲勞“耐久極限”的概念并且用疲勞強(qiáng)度解釋疲勞產(chǎn)生的機(jī)理，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力幅對(duì)疲勞破壞起著決定性[10]作業(yè)。從斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上看，損傷安全設(shè)計(jì)法根據(jù)材料裂紋的擴(kuò)展速度來(lái)推斷結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命。損傷安全設(shè)計(jì)法一開(kāi)始就考慮了初始缺陷，所以在工作狀態(tài)下缺陷還會(huì)逐漸擴(kuò)展，只要定期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)才能保證結(jié)構(gòu)的安全使用。除了考慮工作時(shí)的最大應(yīng)力不超過(guò)等幅疲勞極限外，還需要考慮Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷理論計(jì)算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞損傷。

三、現(xiàn)存主要問(wèn)題

目前，斷裂力學(xué)的理論和方法尚不完善，但在設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)，材料選擇，新材料和新工藝的開(kāi)發(fā)，計(jì)算裂紋容限的斷裂事故分析和殘余壽命部件和確認(rèn)檢驗(yàn)周期以及制定無(wú)損檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。多孔材料是復(fù)雜的多相材料。從微觀角度看，它們具有不連續(xù)的材料不均勻性和各向同性對(duì)于異性來(lái)說(shuō)，如果追蹤孔的形狀，大小和分布，則所得到的表達(dá)式非常復(fù)雜且難以量化[11]對(duì)于這些興起的新材料還研究不足，現(xiàn)有的理論和實(shí)驗(yàn)方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上，對(duì)于壓力容器的應(yīng)力是一個(gè)工程應(yīng)用的成功典范，別的方面還是非常缺乏，有待進(jìn)一步提高和補(bǔ)充。理論和實(shí)際做不到緊密相關(guān)，考慮的參數(shù)也僅僅著眼于溫度和裂紋尺寸，材料自身屬性上，有很大的局限性，既缺少嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)，也做不到定量的準(zhǔn)確計(jì)算。對(duì)于在工程中大量使用的中低強(qiáng)度而具有較好的塑性的材料也略顯不足。隨著斷裂力學(xué)的深入研究，工程師對(duì)斷裂力學(xué)研究的熱情日益高漲。隨著社會(huì)的發(fā)展，各種金屬的使用以及復(fù)雜的自然和人文環(huán)境，關(guān)于斷裂力學(xué)在工程實(shí)踐的應(yīng)用需要更多實(shí)驗(yàn)來(lái)完善。

四、結(jié)論

斷裂力學(xué)雖然起步晚，但是在世界各國(guó)工程師的努力下取得了十足的進(jìn)步，在最近十幾年來(lái)在固體力學(xué)，冶金，機(jī)械和材料選擇以及航空等方面取得的出色的成績(jī)，為社會(huì)進(jìn)步作出了應(yīng)有的進(jìn)步和貢獻(xiàn)。前文所講，斷裂力學(xué)不同于傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論，首先它承認(rèn)了材料不可避免的存在裂紋，并把裂紋作為一種邊界條件來(lái)考察應(yīng)力，應(yīng)變等參數(shù)。研究帶有缺陷的均勻連續(xù)性材料的工程強(qiáng)度和斷裂條件對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決意義重大。由于針對(duì)斷裂力學(xué)的研究目前比較有限，理論分析和實(shí)驗(yàn)條件還不充足，更加沒(méi)有指定相應(yīng)的準(zhǔn)則和規(guī)范，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，斷裂力學(xué)已經(jīng)在迅速發(fā)展。相信在不久的將來(lái)，斷裂力學(xué)的理論和試驗(yàn)方法會(huì)更加完善，制定有關(guān)斷裂力學(xué)的準(zhǔn)則，使斷裂力學(xué)進(jìn)一步用在更廣闊的工程中。