斷裂力學的發(fā)展與展望

(重慶交通大學土木工程學院　重慶　400041)

一、引言

斷裂力學興起是，第一次工業(yè)革命已經接近尾聲，第二次工業(yè)革命隨之而來，越來越多的破壞用傳統(tǒng)的解釋行不通。人們對設備的要求也越來越高，對材料的強度精確度也越來越高。隨著第二次工業(yè)革命的興起，傳統(tǒng)的設計思路設計的設備達不到現實生活生產的需要，往往這些設備會在使用年限以內就報廢。所以最近幾十年的時間，各國科學學針對斷裂力學的研究日新月異。斷裂力學不同于傳統(tǒng)的強度理論，首先它承認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考察應力，應變等參數[1]。由于斷裂力學一開始就考慮到了材料內部原來的缺陷，把材料看作一個非理想體，在加上材料制作工藝的限制造成切口存在氣泡等雜質，因此斷裂力學也被稱為裂紋力學。

二、經典斷裂力學的發(fā)展

(一)線彈性斷裂力學

在斷裂力學中，把斷裂的形式分為三種，實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。實際中最多見的就是第一種斷裂形式。

線彈性斷裂力學是基于線彈性理論。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度是帶缺陷材料強度的十幾倍甚至幾十倍[2]。

1955年，G.R.Irwin(歐文)用彈性力學理論分析了裂紋尖端應力應變場后提出了簡單但很實用的公式[3]，即三種類型裂紋尖端領域的應力場與位移場公式，其中的應力強度因子記為K1。應力強度因子是人為規(guī)定的用來表示裂紋局部強度的一個參數。那么裂紋不發(fā)生擴展的應力就參照材料力學命名為臨界應力強度，假如應力強度大于臨界值，那么裂紋就會繼續(xù)擴展，大量的實驗證明了臨界應力強度因子Kcr的大小不僅與材料的形狀有關，也和材料自身的屬性有關[4]。應力強度因子為材料的斷裂提供了線彈性下的斷裂依據。

(二)彈塑性斷裂力學

線性彈性斷裂力學的局限在于它將材料視為理想的線彈性，以此來研究裂紋的發(fā)展規(guī)律。根據是材料力學的強度準則。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)對于彈性應力的影響如何，對于應力強度因子的影響仍然有待進一步研究，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。1960年前后，斷裂力學開始出現，Paris根據斷裂力學相關知識來解釋疲勞裂紋擴展速率，產生了Paris公試，極大的促進損傷安全設計法的發(fā)展[5]。第一次實現了斷裂力學和疲勞損傷的結合，一舉奠定疲勞設計與分析的基石。目前用來研究彈塑性斷裂力學的方法主要有二種，即COD法和J積分法最為普遍[6]。COD法是1965年Wells(威爾斯)在大量實驗的基礎上，提出以裂紋尖端的張開位移描述其應力、應變場.裂紋尖端張開位移，即裂紋體受載后，在原裂紋尖端垂直裂紋方向上所產生的位移而首先提出了彈塑性條件的斷裂準則[7]。用COD表示斷裂判斷依據就是σ=δc。1968年，Rice(賴斯)提出了J積分理論.以J積分為參數并建立斷裂準則，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，于是斷裂依據就成為J=JIc.

(三)斷裂動力學

裂紋的擴展分為兩種，一種是裂紋隨著時間而發(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。70年代初，Sih與Loeber(洛依伯)導出了外載隨時間變化而裂紋是穩(wěn)定的情況的漸近應力場與位移場，Rice等多人先后導出了裂紋以等速傳播情況的漸近應力場與位移場，并提出了裂紋穩(wěn)定而外載隨時間迅速變化情況下的裂紋開裂準則[9]。1850年左右A.Wohler首先開始了對金屬疲勞的研究，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度解釋疲勞產生的機理，通過研究發(fā)現了應力幅對疲勞破壞起著決定性[10]作業(yè)。從斷裂力學的基礎上看，損傷安全設計法根據材料裂紋的擴展速度來推斷結構的剩余疲勞壽命。損傷安全設計法一開始就考慮了初始缺陷，所以在工作狀態(tài)下缺陷還會逐漸擴展，只要定期對結構進行檢測才能保證結構的安全使用。除了考慮工作時的最大應力不超過等幅疲勞極限外，還需要考慮Palmgren-Miner線性疲勞累積損傷理論計算結構或構件的疲勞損傷。

三、現存主要問題

目前，斷裂力學的理論和方法尚不完善，但在設計工程結構，材料選擇，新材料和新工藝的開發(fā)，計算裂紋容限的斷裂事故分析和殘余壽命部件和確認檢驗周期以及制定無損檢驗標準。多孔材料是復雜的多相材料。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于異性來說，如果追蹤孔的形狀，大小和分布，則所得到的表達式非常復雜且難以量化[11]對于這些興起的新材料還研究不足，現有的理論和實驗方法還遠遠跟不上，對于壓力容器的應力是一個工程應用的成功典范，別的方面還是非常缺乏，有待進一步提高和補充。理論和實際做不到緊密相關，考慮的參數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，既缺少嚴密的理論基礎，也做不到定量的準確計算。對于在工程中大量使用的中低強度而具有較好的塑性的材料也略顯不足。隨著斷裂力學的深入研究，工程師對斷裂力學研究的熱情日益高漲。隨著社會的發(fā)展，各種金屬的使用以及復雜的自然和人文環(huán)境，關于斷裂力學在工程實踐的應用需要更多實驗來完善。

四、結論

斷裂力學雖然起步晚，但是在世界各國工程師的努力下取得了十足的進步，在最近十幾年來在固體力學，冶金，機械和材料選擇以及航空等方面取得的出色的成績，為社會進步作出了應有的進步和貢獻。前文所講，斷裂力學不同于傳統(tǒng)的強度理論，首先它承認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考察應力，應變等參數。研究帶有缺陷的均勻連續(xù)性材料的工程強度和斷裂條件對實際問題的解決意義重大。由于針對斷裂力學的研究目前比較有限，理論分析和實驗條件還不充足，更加沒有指定相應的準則和規(guī)范，隨著科學技術的發(fā)展，斷裂力學已經在迅速發(fā)展。相信在不久的將來，斷裂力學的理論和試驗方法會更加完善，制定有關斷裂力學的準則，使斷裂力學進一步用在更廣闊的工程中。