斷裂力學

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斷裂力學是全國科學技術名詞審定委員會審定、公布的科技類名詞。

關於中國文字的起源主要有兩種觀點：起源於刻畫符號和「圖畫文字」起源說。我們現在已知的最早的文字是安陽殷墟出土的甲骨文。

目錄

名詞解釋

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。

斷裂力學所說的裂紋是指宏觀的、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破壞；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。

該學科是研究含裂紋構件強度與壽命的一門固體力學的新分枝，結構損傷容限設計的理論基礎。

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。

在線彈性斷裂力學中，最重要的力學參量是應力強度因子，它控制裂紋尖端場附近的應力場和位移場。其發展史及其相關的理論可以參閱《宏微觀斷裂力學》。

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。

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應用工作。

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應用。

斷裂力學是20世紀5O年代開始形成的。隨着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着裂紋，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應用越來越廣泛。

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。隨着斷裂力學的發展，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。