固體力學的一個新分支，它是研究材料和工程結構中裂紋擴展規律的一門學科。
基本介紹
- 中文名：斷裂力學
- 外文名：fracture mechanics
內容,依據,歷史,分類,線彈性斷裂力學,彈塑性斷裂力學,斷裂動力學,格里菲斯能量關係式,特殊問題,
內容
斷裂力學所說的裂紋是指巨觀的、肉眼可見的裂紋。工程材料中的各種缺陷可近似地看作裂紋。斷裂力學的基本研究內容包括：①裂紋的起裂條件；②裂紋在外部載荷和（或）其他因素作用下的擴展過程；③裂紋擴展到什麼程度物體會發生斷裂。另外，為了工程方面的需要，還研究含裂紋的結構在什麼條件下硤壞；在—定載荷下，可允許結構含有多大裂紋；在結構裂紋和結構工作條件—定的情況下，結構還有多長的壽命等。
分為線彈性斷裂力學與彈塑性斷裂力學兩大類別，前者適用於裂紋尖端附近小範圍屈服的情況；而後者適用於裂紋尖端附近大範圍屈服的情況。彈塑性斷裂力學發展很快，但是線彈性斷裂力學在結構損傷容限設計中仍然占據重要地位。
依據
背景
蓬勃發展的近代先進科學技術，對傳統的強度理論提出了挑戰。
斷裂力學
斷裂力學1) 高強度材料和超高強度材料的使用
2) 構件的大型化
3) 全焊接結構的使用
形成
1957年，美國科學家G.R.Irwin提出應力強度因子的概念, 線彈性斷裂理論的重大突破，應力強度因子理論作為斷裂力學的最初分支——線彈性斷裂力學建立起來。
歷史
現代斷裂理論大約是在1948—1957年間形成，它是在當時生產實踐問題的強烈推動下，在經典Griffith理論的基礎上發展起來的，上世紀60年代是其大發展時期。
我國斷裂力學工作起步至少比國外晚了20年，直到上世紀70年代，斷裂力學才廣泛引入我國，一些單位和科技工作者逐步開展了斷裂力學的研究和套用工作。
斷裂力學是起源於20世紀初期，發展於20世紀後期，並且仍在不斷發展和完善的一門科學。因此，它是具有前沿性和挑戰性的研究成果。
斷裂力學是研究含裂紋物體的強度和裂紋擴展規律的科學，固體力學的一個分支，又稱裂紋力學。它萌芽於20世紀20年代A.A.格里菲斯對玻璃低應力脆斷的研究。其後，國際上發生了一系列重大的低應力脆斷災難性事故，促進這方面的研究，並於50年代開始形成斷裂力學。根據所研究的裂紋尖端附近材料塑性區的大小，可分為線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學；根據所研究的引起材料斷裂的載荷性質，可分為斷裂（靜）力學和斷裂動力學。斷裂力學的任務是：求得各類材料的斷裂韌度；確定物體在給定外力作用下是否發生斷裂，即建立斷裂準則；研究載荷作用過程中裂紋擴展規律；研究在腐蝕環境和應力同時作用下物體的斷裂（即應力腐蝕）問題。斷裂力學已在航空、航天、交通運輸、化工、機械、材料、能源等工程領域得到廣泛套用。
斷裂力學是20世紀5O年代開始形成的。隨著航天工業等的發展出現了超高強度的材料，對於這種材料，傳統的強度設計已不能滿足需要。傳統的強度理論把材料和結構看成是沒有裂紋的完整體。實際材料和結構中存在著裂紋，但如果材料的強度較低，裂紋的存在對結構安全的影響通常並不明顯，由於在設計中採用了一定的安全係數，設計也就能夠滿足工程需要。但對於高強度材料或處在某些條件下的材料，裂紋的存在會使情況發生根本變化，這就必須考慮材料對於裂紋擴展的抵抗能力，為此引進了材料的斷裂韌性這一力學概念，並出現了斷裂力學。
在斷裂力學出現以前，由於生產知識的積累，人們曾總結出一些材料的韌性指標，如冷脆轉變溫度、衝擊能量等，它們都是一些定性的經驗的參量，只能在一定條件下用於評定材料，而不能用於設計。在美國的G.R.歐文等人的努力下，逐步建立起線彈性斷裂力學並進而發展出彈塑性斷裂力學，提出了一些描述裂紋擴展的參量，如應力強度因子、J積分、裂紋張開位移（見COD法）等，它們可以定量地用於設計。將它們和傳統的強度理論結合起來，可以設計出更安全和更經濟的工程結構。因此，在航天、核電工程等領域斷裂力學的套用越來越廣泛。
另一方面，由於裂紋頂端的一個很小的區域對於裂紋擴展規律有重要影響，因此，裂紋擴展同材料的—些微觀特性，特別是冶金性質（如晶粒大小、二相粒子、位錯等）關係極大，這就要求斷裂力學在研究中把材料工藝學、冶金學、金屬物理學等方面的成果同力學結合起來。隨著斷裂力學的發展，微觀裂紋也已進入研究範圍。在研究裂紋擴展規律時，也開始涉及裂紋產生的原因。
研究內容
1、裂紋的起裂條件。
2、裂紋在外部載荷和（或）其他因素作用下的擴展過程。
3、裂紋擴展到什麼程度物體會發生斷裂。
另外，為了工程方面的需要，還研究含裂紋的結構在什麼條件下破壞；在一定荷載下，可允許結構含有多大裂紋；在結構裂紋和結構工作條件一定的情況下，結構還有多長的壽命等。
分類
線彈性斷裂力學
它在彈性力學線性理論的基礎上研究脆性材料中的裂紋擴展規律，並以應力強度因子和能暈釋放率等作為控制裂紋擴展的參量。脆性材料是指在裂紋擴展直至最後破壞的過程中，其內部出現較小塑性變形的材料。（見線彈性斷裂力學）
套用線彈性理論研究物體裂紋擴展規律和斷裂準則。1921年格里菲斯通過分析材料的低應力脆斷，提出裂紋失穩擴展準則格里菲斯準則。1957年G.R.歐文通過分析裂紋尖端附近的應力場，提出應力強度因子的概念，建立了以應力強度因子為參量的裂紋擴展準則。線彈性斷裂力學可用來解決脆性材料的平面應變斷裂問題，適用於大型構件（如發電機轉子、較大的接頭、車軸等）和脆性材料的斷裂分析。實際上，裂紋尖端附近總是存在塑性區，若塑性區很小（如遠小於裂紋長度），則可採用線彈性斷裂力學方法進行分析。
彈塑性斷裂力學
它在彈性力學線性理論的基礎上研究脆性材料中的裂紋擴展規律，並以應力強度因子和能暈釋放率等作為控制裂紋擴展的參量。脆性材料是指在裂紋擴展直至最後破壞的過程中，其內部出現較小塑性變形的材料。（見線彈性斷裂力學）
斷裂動力學
它研究高速載入或裂紋高速擴展條件下的裂紋擴展規律，在研究中須考慮物體的慣性。（見斷裂動力學）
採用連續介質力學方法，考慮物體慣性，研究固體在高速載入或裂紋高速擴展下的斷裂規律。斷裂動力學的主要研究內容為：①斷裂準則，包括裂紋在高速載入下的回響及起始和失穩擴展準則、高速擴展裂紋的分叉判據。②高速擴展裂紋尖端附近的應力應變場。③裂紋高速擴展的極限速度。④裂紋高速擴展的停止（止裂）原理。⑤高應變率條件下的材料特性及其對高速擴展裂紋阻力的影響。⑥裂紋高速擴展中的能量轉換。⑦高速碰撞下的侵徹和穿孔問題。斷裂動力學研究方法分理論分析和動態實驗兩方面。斷裂動力學已在冶金學、地震學、合成化學以及水壩工程、飛機和船舶設計、核動力裝置和武器裝備等方面得到一些實際套用，但理論尚不夠成熟。
格里菲斯能量關係式
作為一門嶄新的學科，斷裂力學在第一次世界大戰期間為英國航空工程師格里菲斯所創立，用於解釋脆性材料的斷裂。他面臨的問題是，從理論上說，小裂紋尖部的裂紋接近無窮大。也就是說，無論裂紋有多小，負載有多輕，材料都會失效。為了逃出困境，他發展出一套熱力學方法。他假定裂紋的延展需要創造表面能量，這一能量是形變能提供的。如果形變能的損失足以提供新的表面能，裂紋就開始沿展。
特殊問題
斷裂力學的研究內容中還有一些特殊問題，如，①三維斷裂力學問題：目前斷裂力學中已取得的成果多限於二維（或平面）問題，而三維問題比較複雜，但卻吸引了學者們的興趣；②應力腐蝕問題：指在環境介質（腐蝕介質和某些非腐蝕介質〉和拉應力共同作用下材料的斷裂問題，③疲勞裂紋擴展問題：疲勞是在交變載荷作用下材料中裂紋形成和擴展的過程，斷裂力學主要用於研究疲勞裂紋的擴展問題；④非金屬材料的斷裂問題；⑤其他工程套用問題。
