|
研究含裂纹固体的应力、变形、强度和裂纹扩展规律的学科，是固体力学的一个分支。同时它又是一门边缘学科，对金属物理学、冶金学、材料学以及航空航天、机械、水利水电等领域，都有重大影响。 发展概况 1921年，格里菲斯（A.A. Griffith）根据能量平衡原理研究了玻璃、陶瓷等脆性材料中的裂纹扩展问题，但当时脆性断裂还不是一个严重的问题。随着生产的发展，船舶、飞机、桥梁以及化工容器等一再发生断裂事故，才引起普遍重视。20世纪50年代以来，各国学者对金属材料作了大量的试验和理论研究工作，逐渐形成了断裂力学这门学科。中国学者陈篪在断裂力学的发展和在中国国内的推广应用，作出了杰出的贡献。卡普兰（Kaplan）等学者又将断裂力学理论应用于混凝土、岩石和陶瓷等非金属材料，并取得了一定的成果。 研究任务 通常的强度设计方法，无论是传统的材料力学方法还是概率极限状态方法，都是按构件的材料不存在缺陷和裂纹而建立的。但近代一系列“低应力脆断”事故分析表明，构件中总是会存在初始裂纹或类裂纹缺陷，因而在加工、使用（如加载、变温或腐蚀）过程中会发展成宏观裂缝，并使其扩展，最后导致构件在工作应力远低于材料的强度极限或屈服极限的情况下发生断裂破坏。可见，常规的强度设计方法并不能保证这些构件的安全，在出现宏观裂缝后，应采用断裂力学计算方法和设计准则。 断裂力学的任务是研究含裂纹固体在外力或其他外界因素作用下，裂纹尖端附近区域（亦称裂纹前缘）的应力、位移状况和裂纹的扩展规律，建立断裂判据；确定材料抵抗断裂的指标，并研究其测定方法；探讨如何控制裂纹扩展和防止结构的断裂破坏；为构件材料的选择和确定提供依据。 主要内容和方法 断裂力学的理论包括微观和宏观两个方面，微观断裂力学属于固体物理的范畴；宏观断裂力学称为工程断裂力学，包含线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学两大部分。 线弹性断裂力学是研究裂纹尖端附近的塑性区很小、材料基本处于弹性范围的物体。因而可用弹性力学的方法分析裂纹的扩展，并找出控制裂纹扩展的物理量，建立相应的断裂判据。按研究途径不同，又有两种方法：①由弹性力学的基本方程解得裂纹尖端附近的应力和位移，引进应力强度因子（K）作为表征应力场和位移场强弱的物理量，当应力强度因子达到其临界值（称为断裂韧度）时，裂纹开始扩展，并据此建立应力强度因子判据（K判据）。②从研究裂纹扩展的能量变化入手，以能量释放率（G）作为裂纹扩展参量，当裂纹扩展中所释放的弹性应变能达到形成新的裂纹面所需的能量这一临界值时，裂纹开始扩展，并据此建立能量判据（G判据）。 弹塑性断裂力学是研究裂纹尖端周围塑性区较大，其影响不能忽略的物体，因而需用弹塑性理论分析、求解。通常采用J积分或裂纹尖端张开位移（COD）δ作为裂纹扩展参量，并认为当J或δ达到其相应临界值时，裂纹开始扩展，从而建立起弹塑性断裂的J判据或COD判据。由于弹塑性力学处理裂纹问题比较困难，故弹塑性断裂力学还处于发展阶段。 此外，断裂力学中还有一些专门的课题，如疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀断裂、动力断裂等。 裂纹的类型 在断裂力学中，按受力情况及裂纹面的位移特征，将裂纹分为3种类型：图（a）为张开型（Ⅰ型），受垂直于裂纹面的拉应力作用，裂纹面上各点的位移垂直于裂纹平面。图（b）为滑移型（Ⅱ型），受平行于裂纹面并垂直于裂纹前沿的剪应力作用，裂纹面上各点的位移在裂纹面内并垂直于裂纹前沿。图（c）为撕裂型（Ⅲ型），受平行于裂纹面又平行于裂纹前沿的剪应力作用，裂纹面上各点的位移在裂纹面内又平行于裂纹前沿。Ⅰ型裂纹最容易发生失稳扩展和断裂破坏。工程构件中有些裂纹是2种甚至3种基本裂纹的组合，称为复合型裂纹。还有些裂纹，受垂直于裂纹面的压应力作用，裂纹面将相互压紧，称为压缩型或负Ⅰ型，可归并于Ⅰ型中。
裂纹类型示意图 （a）张开型（Ⅰ型）；（b）滑移型（Ⅱ型）；（c）撕裂型（Ⅲ型）
混凝土断裂力学 断裂力学中研究混凝土材料或混凝土构件中宏观裂缝扩展规律的一个分支。分为混凝土线弹性断裂力学和混凝土非线性断裂力学两部分。前者是将线弹性断裂力学的理论和方法应用于混凝土，因而也是以应力强度因子（K）或能量释放率（G）作为断裂参数，以K判据或G判据作为判断裂缝是否发生失稳扩展的判据。判据中必需的单一型断裂韧度和复合型的断裂临界曲线或曲面，应由混凝土的断裂破坏试验测定。后者则基于混凝土中宏观裂缝发生前或扩展过程中将首先发生微裂纹并形成微裂纹区，微裂纹在受载过程中将有不可恢复的附加变形，同时混凝土还具有应变软化特性，即应力在超过强度极限而下降时，附加变形仍在继续增长，因而其应力—应变关系是非线性的。混凝土非线性断裂力学中的两个常用模型是希勒博格（Hillerburg）提出的虚拟裂缝模型和巴赞特（Bazant）提出的钝裂纹带模型，并以断裂能（GF）作为断裂参数。水利工程中的混凝土结构，如混凝土坝中的开裂问题的分析研究，宜采用混凝土断裂力学理论和方法。由于混凝土材料分布的随机性和断裂性能的不确定性，也可以概率理论和随机理论来研究混凝土的断裂力学问题。
|
