说说断裂力学

本文摘要：（由ai生成）

断裂力学研究材料断裂行为，源于二战后军事技术转为民用和工程断裂事故频发。研究内容涵盖裂纹生成、扩展等，涉及宏观和微观破坏机理。旨在确定断裂韧度、建立断裂准则，提高工程设计安全可靠性。现已广泛应用于航空、交通、化工等领域，对提高工程安全性至关重要。

人类历史上任何一门学科的发展大多都和当时的社会环境密不可分，社会矛盾的发展往往会产生某些科技成果，反过来，某些新型科技成果也可以为我们勾画出新型的社会关系。断裂力学的起源和发展也反映了这样的过程。

二次世界大战期间，由于战争的需要，促使高科技的舰艇、攻坚武器、高速飞机的发展；战争结束后，一些高科技的军用技术转民用，世界迎来了历史上科技快速发展的新时期。然后在这一过程中，工程构件的断裂事故给人类带来了惨痛的教训。

1912年4月12日，由英国白星航运公司建造的泰坦尼克号，从英国南安普敦出发，前往美国纽约，中途撞上冰山最终船体裂成两半后沉入大西洋，船上1500多人丧生。泰坦尼克号海难为和平时期死伤人数最惨重的海难之一。此后，科学家和造船工程师们对船体残骸分析称，由于泰坦尼克号在设计之初，只考虑了增加钢的强度，而忽视在增加钢材强度的同时会引起材料抗断裂能力的降低，加之泰坦尼克号在海水中浸泡使得材料变脆，更容易折断。 

同样的情况也发生在飞机上。1952年5月2日，英国“彗星”号客机正式投入航线运营，成为为喷气式客机的第一次商业运行。1953年至1954年期间，“彗星”1型客机接连发生了3次坠毁事故，导致彗星客机停飞。

后来调查研究表明，由于“彗星”使用了增压座舱，对客舱加压的结构设计经验不足，长时间飞行在窗户尖角处，引发了疲劳裂纹扩展，成为“彗星”号客机事故的主要原因。据统计，历史上哈兰公司制造的114架“彗星”号中，曾有13架发生重大事故。

图1 “彗星号”飞机调查结果显示：模拟相当于3000次飞行后，顶部前ADF窗口开裂导致压力舱失效

大多数断裂事故是在毫无征兆的情况下发生的，破坏载荷远小于其强度极限。1969年，美国俄亥俄河上的一座大桥突然断裂，造成死亡46人伤9人的严重后果，当时载荷仅为设计载荷的40%。断裂事故防不胜防，甚至某些经过严格检验的国防尖端产品的断裂事故也时有发生。

1950年，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸。1965年美国著名的260SL-1固体火箭发动机压力壳在水压实验时发生脆断，断裂时应力为657MPa，而所用材料的屈服极限为1716.23MPa，仅为屈服极限的38%。

据统计，美国在二次世界大战期间，有4694艘全焊接“自由轮”中有近1000艘发生断裂破坏，100多个损坏处都是焊接缺陷等应力集中的地方，且在气温降到-3℃和水温降到-4℃时发生断裂。1977年，美国火车铁轨断裂事故发生800多起，损失超过60多亿美元。

1983年，美国巴特尔研究所受美国商务部的委托进行调查研究，结果表明：美国工业由于材料失效（包括断裂、疲劳、腐蚀等），每年耗损1190亿美元，其中29%的损失（即345亿美元）可利用现代技术予以避免，如计入目前正在进行的防止失效的研究成果，还可再避免24%的损失。两项共达630亿美元。

据美国和欧共体的权威专业机构统计：世界上由于机件、构件及电子元件的断裂、疲劳、腐蚀、磨损破坏造成的经济损失高达各国国民生产总值的6～8%。据我国劳动部统计，我国在20世纪80年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约五千起，人员累计伤亡近万人，居国内劳动安全事故的第二位。

针对于材料的断裂，文艺复兴时期意大利科学家达芬奇因其大量的绘画作品需要悬挂让人欣赏，其对悬挂材料的断裂特性产生了兴趣，达芬奇比较了同直径的长铁丝和短铁丝的断裂强度，结果表明长铁丝要比短铁丝更容易被拉断。

近代力学的奠基人-意大利的另一位科学家伽利略通过在直杆下端悬挂重物的办法研究直杆的断裂强度，结果发现杆件的断裂与长度无关，而与杆件的横截面积成正比。在现在看来，达芬奇与伽利略相似的实验得出的不同结论其实揭示了材料断裂的两种不同的理论。

图4 伽利略（1564－1642）

事实上，伽利略侧重于材料强度，反映的是材料在单位面积上的极限承载能力。如从低碳钢拉伸试验中，很容易发现，当材料拉伸应力达到它的强度极限时材料发生断裂，因此，传统强度设计依据为：

为了安全通常会加一个安全系数，上述公式变为：

然而，在材料中若存在缺陷时，会在缺陷附近形成应力集中，并且集中程度与缺陷形状相关，对于一些尖裂纹缺陷，其应力集中会达到远端应力的几百甚至上千倍。在达芬奇的铁丝实验中，正是由于在铁丝加工过程中形成了裂纹，而裂纹尖端的应力集中大大降低了材料的承载能力，同时由于长铁丝中含有缺陷的概率远大于短铁丝，因此，达芬奇观察到长铁丝比短铁丝更容易发生断裂。

传统的设计思想把材料视为无缺陷的均有连续体，而在实际工程材料在制作过程中往往都会在冶金夹杂、加工和装配、疲劳载荷、以及工作环境腐蚀下形成材料的原始缺陷。对于大多数结构和零件而言，宏观裂纹的存在时难以避免的，而这种带裂纹材料的强度，则取决于材料对裂纹扩展的抵抗力。

基于这种考虑，有必要在结构设计之初，先研究材料中可能存在的裂纹或缺陷，在考虑缺陷的情况下进行结构设计，便是断裂力学的设计思路。总的来讲，断裂力学是研究裂纹构件断裂强度的一门学科，主要讨论含裂纹构件的裂纹平衡、稳定扩展和失稳扩展规律；以及带裂纹构件的强度；并进行估计结构剩余寿命并研究延长寿命方法。

就构件的断裂，通常可以分为以下几个阶段：裂纹的生成、裂纹的亚临界扩展、裂纹起裂、裂纹扩展、裂纹停止等。断裂一词的含义很广，包括宏观断裂现象和微观结构的破坏机理研究，断裂力学主要从力学角度分析宏观断裂现象，包括宏观裂纹的生成、扩展、失稳开裂、传播和止裂问题。

微观结构的破坏机理属于断裂物理学研究范围，不过，将宏观断裂现象应该和微观断裂过程联合起来，更容易理解材料断裂机理，目前宏观断裂力学和微观断裂的界限也越来越不明显。

断裂力学的任务在于以下几个方面：1）求得各类材料的断裂韧度；2）确定物体在给定外力作用下是否发生断裂，即建立断裂准则；3）研究载荷作用过程中裂纹扩展规律；4）研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂（即应力腐蚀）问题。

如今，断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源等工程领域得到广泛应用。