1、淺談斷裂力學的發(fā)展與研究現(xiàn)狀X單丙娟(大慶市三環(huán)鉆井工程有限公司摘要:本文通過對斷裂力學的創(chuàng)立和發(fā)展的討論,進一步說明科學技術與生產實踐的進步是斷裂力學產生的根本原因,繼承和突破是斷裂力學發(fā)展的基本途徑,斷裂力學的發(fā)展與生產實踐緊密相關為基本論點,以及對新材料斷裂理論的探索與對未來斷裂力學的展望。關鍵詞:斷裂力學;基本理論;斷裂準則;發(fā)展;現(xiàn)狀斷裂力學是近幾十年才發(fā)展起來的一支新興學科,也是固體力學的新分支,是二十世紀六十年代發(fā)展起來的一門邊緣學科。它從宏觀的連續(xù)介質力學角度出發(fā),研究含缺陷或裂紋的物體在外界條件作用下宏觀裂紋的擴展、失穩(wěn)開裂、傳播和止裂規(guī)律。斷裂力學應用力學成就研究含缺陷材料

2、和結構的破壞問題,由于它與材料或結構的安全問題直接相關,因此它雖然起步晚,但實驗與理論均發(fā)展迅速,并在工程上得到了廣泛應用。它不僅是材料力學的發(fā)展與充實,而且它還涉及金屬物理學、冶金學、材料科學、計算數(shù)學等等學科內容。斷裂力學的創(chuàng)立對航天航空、軍工等現(xiàn)代科學技術部門都產生了重大影響。隨著科學技術的發(fā)展,斷裂力學這門新的學科在生產實踐中得到越來越廣泛的應用。1斷裂力學的發(fā)展十七世紀以來,工程構件的安全可靠性與材料的經濟性這對矛盾的解決是材料力學的主要任務之一,在某種意義上講,構件的安全可靠性是需要首先考慮的,只有在確信構件安全可靠的前提下,人們才能去考慮構件材料的經濟性。在沒有新的理論之前,在材

3、料力學中,對于某一構件來說,用傳統(tǒng)的強度計算來確保其安全可靠性。但是,近幾十年來,世界各國生產實踐表明,按傳統(tǒng)的強度理論設計的構件,雖然滿足了強度計算,有時也會意外地發(fā)生低應力斷裂破壞事故,無情的事實尖銳地揭示了人們長久以來使用的傳統(tǒng)強度理論的局限性。隨著工業(yè)生產的發(fā)展,高強度鋼結構、大型鍛件和焊接結構等使用越來越廣泛。在實際使用中,這些結構常常發(fā)生意外的低應力脆性斷裂事故。所以材料的脆斷越來越引起了人們的重視。科學工作者圍繞這些事故進行了大量的調查研究后,發(fā)現(xiàn)脆斷時的工作應力遠遠低于材料的屈服強度。因此,這些斷裂事故已不能用傳統(tǒng)的材料力學中的強度理論來解釋。人們通過對斷裂事故的分析和大量的實

4、驗研究,說明低應力脆性斷裂總是由裂紋擴展所導致的。在實際構件中,理想的均勻連續(xù)材料是不存在的,它往往帶有夾渣、裂紋和劃痕等缺陷。這些缺陷在使用過程中將逐漸發(fā)展成為裂紋,而裂紋的擴展導致了構件的斷裂。而且傳統(tǒng)的強度理論觀點認為,提高材料的強度或加大構件的尺寸(如容器的壁等,便可以增大構件的許用應力或安全儲備,但實際上都適得其反,構件可能會在更低的工作應力下發(fā)生破壞,欲安全反而不安全。這一辯證規(guī)律促使人們離開傳統(tǒng)的強度理論而從事物內部去尋找原因。舊的傳統(tǒng)強度理論把與工程實際構件中不相符合的關于材料均勻連續(xù)的假設作為研究的出發(fā)點,這就必然和現(xiàn)代工業(yè)關于對構件強度的要求發(fā)生尖銳的矛盾。除此之外,還有塑

5、性斷裂、蠕變及腐蝕斷裂等許多問題,同樣也要求用不同于傳統(tǒng)強度理論的新理論、新方法來解決。工程實際中嚴重的低應力脆性斷裂事故頻頻發(fā)生是促使斷裂力學形成的直接動力。斷裂力學的最大特點是:假設構件或材料已帶有裂紋(即缺陷。現(xiàn)代斷裂力學能對帶有裂紋的構件的裂紋尖端附近區(qū)域進行應力應變分析,從而得到表征裂紋尖端區(qū)應力應變場強度的參量。然而,在二十世紀五十年代以前,可用來進行裂紋尖端區(qū)應力應變分析的手段尚不成熟,科學工作者根據(jù)能量守恒定律而首先建552007年第7期內蒙古石油化工X收稿日期:2007-02-15立起斷裂判據(jù),它與傳統(tǒng)強度理論的屈服判據(jù)有本質上的區(qū)別。其實,低應力脆斷現(xiàn)象對人們來說并不陌生,

6、日常生活中也經常遇到,象玻璃,陶瓷這類的制品,當它們一旦有裂紋時,往往在很小的外力作用下就會斷裂。但沒有刻痕的玻離卻能承受住要大得多的外力作用。刻痕愈深,裂紋尖端應力集中愈歷害,則斷裂應力愈小。斷裂力學不但能夠通過計算來定量地分析構件低應力脆斷的原因,而且還能提出其改進的方向,使傳統(tǒng)強度理論無法解釋的問題得以解決。斷裂力學的出現(xiàn)對傳統(tǒng)的強度理論作了某種程度上的補充和革新,自然地也引起了設計思想的革新。此時的構件具有強度有余而韌性不足的特性,故更容易引起脆性斷裂,這也是由于傳統(tǒng)的理論強度對裂紋運動規(guī)律缺乏認識的一種結果。而對于裂紋運動規(guī)律缺乏認識的另一種傾向是,一旦發(fā)現(xiàn)材料或構件中有裂紋,就認為

7、是絕對危險,棄置不用,這種盲目性也帶來巨大的浪費。斷裂力學已初步地揭示了裂紋的運動規(guī)律性,能比較合理地評定構件的安全可靠性,為構件的抗斷裂設計和斷裂控制提供了一個比較合理的理論基礎。斷裂力學不僅能解釋各類工程構件發(fā)生脆斷的原因,更重要的是它為防止脆斷提出了一個定量的計算方法,建立了裂紋尺寸、應力(應變及材料斷裂韌性三者之間的定量關系。隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展,高強度合金材料,例如高強度15的鋼、鋁和鈦等合金使用量越來越大。高強度合金的最大優(yōu)點是比強度相當高,即強度與質量密度的比值較一般中低強度合金高得多。但是絕大多數(shù)高強度合金都比較脆。易發(fā)生脆斷;在腐蝕性環(huán)境中,甚至在相對濕度較高的環(huán)境中就有可

8、能萌生裂紋。因此,從設計、制造、安裝和使用的角度來說,建立評定帶裂紋運行構件的安全性標準,以及如何防止構件斷裂事故發(fā)生,一直是科學工作者所關心的事情。目前,斷裂力學在航空航天、造船、機械、石油化工、地質等部門得到越來越廣泛的應用,它的研究方法也列入上述各部門的設計、制造、驗收及使用規(guī)范中。2斷裂力學的研究現(xiàn)狀由于斷裂力學興起的年代較晚,它所涉及的學科較多,現(xiàn)在仍處于發(fā)展階段。目前斷裂力學總的研究趨勢是:從線彈性到彈塑性;從靜態(tài)斷裂到動態(tài)斷裂;從宏觀微觀分離到宏觀與微觀結合;從確定性方法到概率統(tǒng)計性方法。所以就斷裂力學本身而言,根據(jù)研究的具體內容和范圍,它又被分為宏觀斷裂力學(工程斷裂力學和微觀

9、斷裂力學(屬金屬物理范疇。宏觀斷裂力學又可分為彈性斷裂力學(它包括線性彈性斷裂力學和非線性彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學(它包括小范圍屈服斷裂力學和大范圍屈服斷裂力學及全面屈服斷裂力學。工程斷裂力學還包括疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂及蠕變疲勞斷裂等工程中重要方面。如今在斷裂力學研究方法中,又引入可靠性理論,稱為概率斷裂力學,使斷裂力學的研究內容更加豐富,也使斷裂力學的理論得到進一步的發(fā)展和完善,并在工程實際中發(fā)揮出越來越大的指導作用。3結束語綜上所述,斷裂力學的理論不僅產生于社會生產實踐。而且它現(xiàn)在已經又作為理論來指導人們的社會生產實踐。由于斷裂力學能對材料和結構的安全性進行預測與估算,因而愈來愈受到重視。目前線彈性斷裂力學發(fā)展較為成熟,在生產中已經得到應用。彈塑性斷裂力學雖取得了一些進展,但仍有許多尚待深入研究的問題,它是當前斷裂力學的主要研究方向之一。斷裂動力學,對于線性材料還有待完善;對于非線性材料,尚處于研究初期,是斷裂力學的又一主要研究方向。隨著對斷裂問題的深入研究及數(shù)學工具的方便使用,斷裂力學理論會日益成熟,斷裂力學應用會日漸廣泛。參考文獻1范天佑.斷裂力學基礎M.南京:江蘇科學技術出版社,1978.2陸毅中.工程斷裂力學M.西安:西安交通大學出版社,1987.與研究現(xiàn)狀,2006.4沈成康.斷裂力學M.