断裂与损伤力学试题

中国矿业大学2011 级硕士研究生课程考试试卷考试科目损伤与断裂力学考试时间2011.12学生姓名韩晓丽学号ZS10030121所在院系力建学院任课教师高峰中国矿业大学研究生院培养管理处印制第一部分断裂力学第一章引言1.1 影响断裂的两大因素---载荷大小和裂纹长度考虑含有一条宏观裂纹的构件，随着服役时间后使用次数的增加，裂纹总是愈来愈长。

在工作载荷较高时，比较短的裂纹就有可能发生断裂；在工作载荷较低时，比较长的裂纹才会带来危险。

这表明表征裂端区应力变场强度的参量与载荷大小和裂纹长短有关，甚至可能与构件的几何形状有关。

1.2 断裂力学研究内容随时间和裂纹长度的增长，构件强度从设计的最高强度逐渐地减少。

假设在储备强度A点时，只有服役期间偶而出现一次的最大载荷才能使构件发生断裂；在储备强度B点时，只要正常载荷就会发生断裂。

因此，从A点到B点这段期间就是危险期，在危险期中随时可能发生断裂。

如果安排探伤检查的话，检查周期就不能超过危险期。

1.3 脆性断裂和韧性断裂韧度（toughness）：是指材料在断裂前的弹塑性变形中吸收能量的能力。

它是个能量的概念。

脆性（brittle）和韧性（ductile）：一般是相对于韧度低或韧度高而言的，而韧度的高低通常用冲击实验测量。

高韧度材料比较不容易断裂，在断裂前往往有大量的塑性变形。

如低强度钢，在断裂前必定伸长并颈缩，是塑性大、韧度高的金属。

金、银比低强度钢更容易产生塑性变形，但是因为强度太低，因此吸收能量的能力还是不高的。

玻璃和粉笔则是低韧度、低塑性材料，断裂前几乎没有变形。

如图所示的一个带环形尖锐切口的低碳钢圆棒，受到轴向拉伸载荷的作用，在拉断时，没有明显的颈缩塑性变形，断裂面比较平坦，而且基本与轴向垂直，这是典型的脆性断裂。

粉笔、玻璃以及环氧树脂、超高强度合金等的断裂都属于脆性断裂这一类。

反过来说，若断裂前的切口根部发生了塑性变形，剩余截面的面积缩小（既发生颈缩），段口可能呈锯齿状，这种断裂一般是韧性断裂。

5. 普通碳钢一次拉伸能够获得哪几个材料性能参数？ 答：拉伸获得的材料性能参量有：弹性模量 E、屈服强度 s、抗拉强度 b 、弹 性极限 e、比例极限 p、延伸率 、断面收缩率ψ。 6. 为什么裂纹尖端会发生应力松弛？如何对应力强度因子进行修正？ 答：裂纹尖端附近存在着小范围的塑性区（设塑性区是以裂纹尖端为圆心，半径 为 r0 的圆形区域） ， 材料屈服后， 多出来的应力将要松驰 （即传递给 r>r0 的区域） ， 使 r0 前方局部地区的应力升高，又导致这些地方发生屈服。即屈服导致应力松 弛。 Irwin 提出了有效裂纹尺寸的概念 aeff a ry 对应力强度因子进行修正，在小 范围条件下，只需把有效裂纹长度带入，即可得到修正后的应力强度因 子 K I Y (a ry ) 。
17.疲劳长裂纹扩展的规律和机理？ 答：扩展速率受控于裂纹尖端的应力强度因子范围ΔK，ΔK=Kmax-Kmin；
随着应力比增大，疲劳裂纹扩展速率增大，疲劳门槛值减小。 组织对 Paris 区的 da/dN 影响不大， 而对门槛值区有较大影响。 18.分析疲劳断口的组成与影响因素； 答： （1） 疲劳断口的组成：一个典型的疲劳断口总是由疲劳源、疲劳裂纹扩展 区和最终断裂区三部分构成。 （2）影响因素：平均应力（拉伸平均应力降低疲劳强度，压缩平均应力提高疲 劳强度） 、表面加工与处理（疲劳裂纹通常起始于零件表面，因此，表面状况对 疲劳寿命有很大的影响，表面光洁度越高，形成疲劳裂纹的时间越长） 、加载型 式、缺口与应力集中、试样的尺寸。 19.分析疲劳应力应变曲线的特点；
e ae p
J J ae J
答： （1）在线弹性条件下,这三个参量可以互相替换,它们各自的断裂判据都是等效的，对 I 1 型裂纹： J K I2 GI E E E 1 2 E E 其中，平面应力： ；平面应变 ： （2）在弹塑性条件下,应力强度因子已不在适用,主要是运用 J 积分和 COD 参量。在大范围 屈服的情况下二者之间的关系(采用 D-M 模型)： J s ；考虑到实际材料,工程中可以 对其进行修正：J k

第八章 断裂力学习题及解习题1、已知I 型裂纹问题的应力函数为()()()z Z y z Z z I I I Im Re +=ϕ，其中()()z Z z Z I I ,分别为复变函数()z Z I 的二次积分和一次积分，试求出对应的应力分量。

解：令()()()y x iv y x u z Z I ,,+=，那么()udy v dx i v dy udx dz z Z CCC++-=⎰⎰⎰按C-R 条件有yux v y v x u ∂∂-=∂∂∂∂=∂∂,。

那么有如下关系式 y Zx Z Z ∂∂=∂∂='Im Re Re ， xZy Z Z ∂∂=∂∂-='Im Re Im ， 由应力函数可得应力()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂+∂∂∂∂=+∂∂=∂∂=I I I I I 222I 2xx Z y Z y y Z y Z y Z y y σIm Im Re Im Re ϕ ()'Im Re Re Re Im Re Im I I I I I I I xx Z y Z Z yZ y Z Z y Z y -=+∂∂=++-∂∂=σ ()⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=+∂∂=∂∂=x Z y xZ x Z y Z x x σI I I I 222I 2yyIm Re Im Re ϕ得 ()'Im Re Im Re I I I I yy Z y Z Z y Z x+=+∂∂=σ ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∂∂-∂∂-∂∂=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∂∂-∂∂=∂∂∂-=I I I I I I 2xyZ y Z y y Z x Z y Z y x y x Im Im Re Im Re ϕτ ()'Re Re Im Re Im I I I I I xy Z y xZ y Z Z y Z x -=∂∂-=--∂∂=τ 习题2、如图8-1所示无限大板中含有一长度为2a 的中心贯穿裂纹，设I 型裂纹问题的应力函数为()()()z Z y z Z z I I I Im Re +=ϕ（双向拉伸），或为()()())(2Im Re 22y x A z Z y z Z z I I I --+=ϕ（单向拉伸）。

一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分）1、（1）数学分析法：复变函数法、积分变换；（2）近似计算法：边界配置法、有限元法；（3）实验标定法：柔度标定法；（4）实验应力分析法：光弹性法.2、假定：（1）裂纹初始扩展沿着周向正应力为最大的方向；（2）当这个方向上的周向正应力的最大值（）max达到临界时，裂纹开始扩展•S3、应变能密度:W S，其中S为应变能密度因子，表示裂纹尖端附近应力场r密度切的强弱程度。

4、当应力强度因子幅值小于某值时，裂纹不扩展，该值称为门槛值。

5、表观启裂韧度，条件启裂韧度，启裂韧度。

二、推导题（本大题10分）D-B模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。

积分路径：塑性区边界。

AB 上：平行于x1，有dx2 0 , ds dx1 , T22007断裂力学考试试题B卷答案BD上：平行于捲，有dx20 , ds dx1 , T2u iJ (Wdx2 T L ds)s V s V S(V A三、计算题（本大题共1、利用叠加原理：微段K]ABT2 V D)3小题，每小题集中力qdx U2dx1%BDT2U£dx1X120分,dK]总计60分）a 2q . a0 (2 2.(a x ) dx 10分sin cos — a cos sin a2b 2b 2b 2b— cos — a sin a 2b 2b2b(_ 2 2)cos — 2b a 2 cos a si n a2b2b 2b 2ba)2la sin 1(豎)a cosK i2qJ — 0 赢T d 当整个表面受均布载荷时，6 a .2、边界条件是周期的：a.zy0, xy 0c.所有裂纹前端又Z 应为2b 的周期函数si2z皿2冷 采用新坐标： z aZ % a)J (sin 七严2陶)20 时，sin —— ——,cos —2b 2b 2bK i 2qsin 1(a a ) q a10分令 x acos 一 a 2 x 2 a cosb.在所有裂纹内部应力为零.y0,x a, a 2b x a2b 在区间内单个裂纹时Zz z 2 a 210分d(sin -2b［吃（加sin ( a)2ba sin2b .2 a . a」 --------- cos——sin 】2b 2b0时,2 2帥莎(a)] (s^a)22b cos asin a 2b2b2bK I1吧0 F_Zsin2b1 a . a ——cos——sin —2b2b 2b2b ta n—a2ba tan—2b 10分注意行为规范3、当复杂应力状态下的形状改变能密度等于单向拉伸屈服时的形状改变能密度，材料屈服，即：2 2 2 2(1 2 ) ( 2 3) ( 3 1 ) 2 s对于I型裂纹的应力公式：(X2y)2xy1Kl cos-[1 sin-]2 2 r 2 2遵考场10分纪程•律0(平面应力,薄板或厚板表面)K I22scos2[1 3sin2—]2 2--平面应力下，I型裂纹前端屈服区域的边界方10分r、简答题1.断裂力学中, (80 分)按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型？请画出这些类型裂纹的受力示意图。

断裂力学习题一、问答题1什么是裂纹？2试述线弹性断裂力学的平面问题的解题思路。

3、断裂力学的任务是什么？4、试述可用于处理线弹性条件下裂纹体的断裂力学问题两种方法：5、试述I型裂纹双向拉伸问题中的边界条件，如何根据该边界条件确定一复变函数，并由此构成应力函数，最后写出问题的解。

6、什么是应力场强度因子K i？什么是材料的断裂韧度K ic?对比单向拉伸条件下的应力二及断裂强度极限二b，,说明K i与K ic的区别与联系？7、在什么条件下应力强度因子K的计算可以用叠加原理8试说明为什么裂纹顶端的塑性区尺寸平面应变状态比平面应力状态小？9、试说明应力松驰对裂纹顶端塑性区尺寸有何影响。

10、K准则可以解决哪些问题？11、何谓应力强度因子断裂准则？线弹性断裂力学的断裂准则与材料力学的强度条件有何不同？12、确定K的常用方法有哪些？13、什么叫裂纹扩展能量释放率？什么叫裂纹扩展阻力？14、从裂纹扩展过程中的能量变化关系说明裂纹处于不稳定平衡的条件是什么？15、什么是格里菲斯裂纹？试述格氏理论。

16、奥罗万是如何对格里菲斯理论进行修正的？17、裂纹对材料强度有何影响？18、裂纹按其力学特征可分为哪几类？试分别述其受力特征19、什么叫塑性功率？20什么是G准则？21、线弹性断裂力学的适用范围。

22、“小范围屈服”指的是什么情况？线弹性断裂力学的理论公式能否应用？如何应用？23、什么是Airry应力函数？什么是韦斯特加德（Westergaard应力函数？写出Westergaarc应力函数的形式，并证明其满足双调和方程。

24、裂纹按其几何特征可分为哪几类？25、判断下图所示几种力情况下，裂纹扩展的类型 26、D-B 模型的适用条件是什么?27、什么叫裂纹的亚临界扩展？什么叫门槛值?28、什么叫腐蚀？什么叫应力腐蚀？什么叫腐蚀临界应力强度因子K i sc ?29、什么叫应力疲劳？什么叫应变腐蚀？两者的裂纹扩展速率表达式是否相同？为什 么？ 30、 什么叫腐蚀疲劳？31、 试述金属材料疲劳破坏的特点32、现有的防脆断设计方法可分为哪几种？33、 什么是疲劳裂纹门槛值，哪些因素影响其值的大小 ？它有什么实用价值？ 34、应力腐蚀裂纹扩展的特征？第二类椭圆积分 ①°的值a/c ①0a/c ①0 a/c ①00 1.0000 0.35 1.1227 0.70 1.3456 0.5 1.0045 0.40 1.1507 0.75 1.3815 0.10 1.0148 0.45 1.1802 0.80 1.4148 0.15 1.0314 0.50 1.2111 0.85 1.4769 0.20 1.0505 0.55 1.2432 0.90 1.4935 0.25 1.0723 0.60 1.2764 0.95 1.5318 0.301.09650.651.31051.001.57087\ 7\压力容器二、计算题：1 有一材料E =2 1011N /m2，表面能密度咐=8N/m,外加拉应力；：.，7 io7N/m2。

断裂力学考试试题 A 卷答案一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，总计30分）1、按裂纹的几何类型分：穿透裂纹，表面裂纹，深埋裂纹； 按裂纹的受力和断裂特征分类：张开型（I 型），滑开型（II 型），撕开型（III ）。

2、并列裂纹的作用使K Ⅰ下降，工程上偏安全考虑：(1)并列裂纹作为单个裂纹考虑；(2)对于密集的缺陷群,假定它们在空间规则排列,并可把空间裂纹简化成平面裂纹。

3、（1）做切线OA（2）做割线OPS ，斜率比切线斜率小5% （3）确定P θ若在5P 前,曲线各点小于5P ，则5P P θ= 若在5P 前,曲线各点小于5P ，则max P P θ=（4）计算max 1.1P P θ≤满足，则有效，否则加大试件 （5）计算I K ,利用前面给出公式。

（6）计算22.5()[,,()]SK a B W a θσ≤-，每项都满足一定要求满足IC K K θ=否则加大试件（厚度为原厚度1.5倍的试件）4、（1）回路积分定义：围绕裂纹尖端周围区域的应力、应变和位移所围成的围线积分。

（2）形变功率定义：外加载荷通过施力点位移对试件所作的形变功率给出。

5、平均应力，超载，加载频率，温度，腐蚀介质，随机载荷等。

P二、推导题（本大题共2小题，每小题20分，总计40分）1、假设裂纹闭合3(1sin sin)222yθθθσ=+当0θ=,r x=时,yσ=.又31)sin sin]22v kθθ=+-当r a x=∆-,θπ=时.2)v k=+应力0yσ→,位移0v→. 10分在闭合时,应力在a∆那段所做的功为ayB vdxσ∆⎰.2 001412)4a ayB kG vdx k dx KB a a Gσ∆∆+⇒==+=∆∆⎰⎰ⅠⅠ平面应力情况:23,1Kk GEμμ-=⇒=+ⅠⅠ平面应变情况:22134k G K Eμμ-=-⇒=ⅠⅠ 2K G E ⇒='ⅠⅠ21E EE E μ'=⎧⎪⎨'=⎪-⎩平面应力平面应变10分2、D-B 模型为弹性化模型，带状塑性区为广大弹性区所包围，满足积分守恒的诸条件。

材料损伤与断裂力学分析材料损伤与断裂力学分析是材料科学领域中重要的研究方向之一。

它涉及到材料的破坏行为、损伤形态以及断裂机理等内容。

通过对材料的力学性能和微观结构进行分析，可以揭示材料在受力过程中的损伤演化和断裂行为，为材料的设计、制备和应用提供科学依据。

在材料损伤与断裂力学分析中，首先需要了解材料的力学性能。

材料的力学性能包括强度、韧性、硬度等指标。

强度是材料抵抗外力破坏的能力，通常用屈服强度和抗拉强度来表示。

韧性是材料抵抗断裂的能力，它反映了材料在受力过程中的变形能力。

硬度则是材料抵抗划伤和压痕的能力，它与材料的晶体结构和成分有关。

在材料受力过程中，损伤是不可避免的。

损伤是指材料内部出现的缺陷、裂纹和断裂等现象。

损伤的形成和演化过程是材料断裂的先兆，也是研究材料性能和寿命的关键。

损伤可以分为微观损伤和宏观损伤两个层次。

微观损伤包括晶体滑移、位错形成和扩展等，宏观损伤则是指材料的裂纹扩展和断裂。

对于材料的损伤和断裂行为，断裂力学提供了一种有效的分析方法。

断裂力学是研究材料在受力过程中裂纹扩展和断裂行为的学科。

它通过建立力学模型和数学方程来描述材料的断裂行为，并提供了预测和控制材料断裂的理论基础。

断裂力学可以分为线性弹性断裂力学和非线性断裂力学两个方向。

线性弹性断裂力学适用于强度较高、刚度较大的材料，而非线性断裂力学则适用于韧性较好、变形能力较大的材料。

在材料损伤与断裂力学分析中，还需要考虑材料的微观结构和力学行为。

材料的微观结构包括晶体结构、晶界和位错等。

晶体结构决定了材料的力学性能，晶界则是材料的强度和韧性的关键因素。

位错是材料中的缺陷和损伤的主要来源，它们的形成和移动对材料的力学行为有着重要影响。

通过对材料的微观结构进行分析，可以揭示材料的损伤演化和断裂机理。

总之，材料损伤与断裂力学分析是研究材料破坏行为的重要方法。

通过对材料的力学性能、微观结构和力学行为进行分析，可以揭示材料在受力过程中的损伤演化和断裂行为。

断裂力学期末考试试题含答案一、简答题(80分)1. 断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型,请画出这些类型裂纹的受力示意图。

(15分)2 请分别针对完全脆性材料和有一定塑性的材料，简述裂纹扩展的能量平衡理论,(15分)3. 请简述应力强度因子的含义，并简述线弹性断裂力学中裂纹尖端应力场的特点,(15)4. 简述脆性断裂的K准则及其含义,(15)5. 请简述疲劳破坏过程的四个阶段,(10)6. 求出平面应变状态下裂纹尖端塑性区边界曲线方程，并解释为什么裂纹尖端塑性区尺寸在平面应变状态比平面应力状态小,(5分)7. 对于两种材料，材料1的屈服极限和强度极限都比较高，材料,,sb 2的和相对较低，那么材料1的断裂韧度是否一定比材料2的高,,,sb 试简要说明断裂力学与材料力学设计思想的差别, (5分)二、推导题(10分)请叙述最大应力准则的基本思想，并推导出I-II型混合型裂纹问题中开裂角的表达式,三、证明题(10分),,,JwdyTuxds,,,,,(/)定义J积分如下，，围绕裂纹尖端的回路, ,，始于裂纹下表面，终于裂纹上表面，按逆时针方向转动，其中是w, 板的应变能密度，为作用在路程边界上的力，u是路程边界上的位移T ds矢量，是路程曲线的弧元素。

证明J积分值与选择的积分路程无关，并说明J积分的特点。

四、简答题(80分)1. 断裂力学中，按裂纹受力情况，裂纹可以分为几种类型,请画出这些类型裂纹的受力示意图。

(15分)答:按裂纹受力情况把裂纹(或断裂)模式分成三类:张开型(I型)、滑开型(II型)和撕开型(III型)，如图所示y y yx o o o z x xI型,张开型 II型,滑开型三型,撕开型2 请分别针对完全脆性材料和有一定塑性的材料，简述裂纹扩展的能量平衡理论,(15分)答:对完全脆性材料，应变能释放率等于形成新表面所需要吸收的能量率。

对于金属等有一定塑性的材料，裂纹扩展中，裂尖附近发生塑性变形，裂纹扩展释放出来的应变能，不仅用于形成新表面所吸收的表面能，更主要的是克服裂纹扩展所吸收的塑性变形能，即塑性功。

断裂力学复习题1．裂纹按几何特征可分为三类,分别是（穿透裂纹）、（表面裂纹）和（深埋裂纹）。

按力学特征也可分为三类，分别是（张开型）、（滑开型）和（撕开型）。

2．应力强度因子是与（外载性质）、（裂纹）及（裂纹弹性体几何形状）等因素有关的一个量。

材料的断裂韧度则是（应力强度因子）的临界值，是通过（实验）测定的材料常数。

3．确定应力强度因子的方法有：（解析法），（数值法），（实测法）。

4．受二向均匀拉应力作用的“无限大”平板，具有长度为2a的中心贯穿裂纹，求应力强度因子的表达式。

【解】将x坐标系取在裂纹面上，坐标原点取在裂纹中心，则上图所示问题的边界条件为：① 当y = 0，x → ∞时，；② 在y = 0，的裂纹自由面上，；而在时，随，。

可以验证，完全满足该问题的全部边界条件的解析函数为（1）将坐标原点从裂纹中心移到裂纹右尖端处，则有z =ζ+a或ζ= z－a，代入（1），可得：于是有：5．对图示“无限大”平板Ⅱ型裂纹问题，求应力强度因子的表达式。

【解】将x坐标系取在裂纹面上，坐标原点取在裂纹中心，则上图所示问题的边界条件为：① 当y = 0，x → ∞时，；② 在y = 0，的裂纹自由面上，；而在时，随，。

可以验证，完全满足该问题的全部边界条件的解析函数为（1）将坐标原点从裂纹中心移到裂纹右尖端处，则有z =ζ+a或ζ= z－a，代入（1），可得：于是有：6．对图示“无限大”平板Ⅲ型裂纹问题，求应力强度因子的表达式。

【解】将x坐标系取在裂纹面上，坐标原点取在裂纹中心，则上图所示问题的边界条件为：① 当y = 0，x → ∞时，；② 在y = 0，的裂纹自由面上，；而在时，随，。

可以验证，完全满足该问题的全部边界条件的解析函数为（1）将坐标原点从裂纹中心移到裂纹右尖端处，则有z =ζ+a或ζ= z－a，代入（1），可得：于是有：7．“无限大”平板中，在长度为2a的中心贯穿裂纹表面上，距裂纹中点为x=±b处各作用一对集中力p，求应力强度因子的表达式。

注：自己多改改啊，6月18日早上交。

1.在例3.2中，更精确地分析是假定悬臂梁在长度a+a 0处固定，根据实验测定a 0取h/3较合适。

并考虑变形引起的位移，取V=1/3，试求能量释放率。

解：根据题意V EBha a p V EJ a a p ++=++=∆33030)(83)(2 试件柔度 pVEBh a a p c ++=∆=330)( 所以G I =32222)3(1221h EB p ha d d p B a c +=2.某发电机转子在动平衡时发生断裂。

断裂后发现垂直于最大拉应力方向的一个圆形片状缺陷。

直径约在2.5~3.8cm 之间。

缺陷处的最大拉应力为350MPa 。

试估算转子的临界裂纹尺寸。

经测定，转子材料的断裂韧度k 1c =（34~59）MPa m 。

解：缺陷处应力强度因子为ak πσπ21=又k 1c =（34~59）MPa m ，350=σMPaa=（0.74~2.2）cm所以裂纹直径为1.5~4.4cm3.气瓶内径D=508mm ，壁厚t=35.6mm ，纵向有表面裂纹，深度a=16mm ，长度2L=508mm ，材料的屈服极限0σ=538MPa ，断裂韧度k 1c =110MPa m ，试求爆破压力。

假设为理想塑性材料，考虑塑性区修正。

解：利用半椭圆表面裂纹应力强度因子)(/]})(241[{1.121211k E k a k sσππ+==c a 25416=0.063 ，查表得)(k E =1.008 21211]})(241[{1.1)(sc ka k E k σππσ+==21)]}8.53110(24116[{1.1110008.1ππ+⨯=14.2 kg/mm 2又t PD 2=σ所以P=D t σ2=5086.352.142⨯⨯=1.99kg/mm 24.高硅的镍铬钼钒钢的回火温度与屈服极限0σ和断裂韧度k 1c 的关系见下表。

现有表面裂纹，深度a=1mm 深长比a/2c=1/4,设工作应力σ=0.60σ，试选择合适的回火温度，假定为理想塑性材料，考虑塑性区修正。

习题1：设有两个无限大板A 和B ，均含有贯穿性裂纹，其中A 板裂纹长度为2a ，B 板裂纹长度为a ，两者均受拉应力作用，A 板拉应力为σ，B 板受拉应力为2σ，问他们的裂纹尖端应力强度因子是否相同。

解：A 板：a a Y K πσπσ==IAB 板：a aY K πσπσ222IB ==因此，二者的应力强度因子不相同。

习题2：无限大板A 、B 受力如图所示，已知板A 含贯穿裂纹长度为mm a 8.4021=，板B 含贯穿裂纹长度为mm a 7.522=，外加应力均为250MPa ，材料的断裂韧度21IC 25.63m MPa K ⋅=，问板A 、B 是否发生断裂。

解：①板A 的应力强度因子：21IC 21I 23.6329.630204.0142.3250mMPa K m MPa a K ⋅=>⋅=⨯⨯==πσ因此，A 板断裂。

②板B 的应力强度因子：21IC 21I 23.6366.2300285.0142.3250mMPa K m MPa a K ⋅=<⋅=⨯⨯==πσ因此，B 板不会断裂。

习题3：证明如探伤给出的裂纹当量直径A D 2=时（深埋裂纹，当量面积为2A π），在裂纹面积相等的情况下，把裂纹简化为椭圆裂纹（短轴长轴比21=c a ）比简化为圆形裂纹安全。

解：①当量直径为A D 2=，则简化为圆形裂纹时有裂纹半径为A ，对于深埋裂纹有：Φ=Φ=AaK πσπσI当c a =时，则2π=Φ，因此有：A AK πσππσ637.02I ==②当量面积为2A π，且轴比为21==k c a ，则a k a c 2==。

由ka A S 22ππ==，得到：k A a =，Φ=Φ=kA aK πσπσI当21==k c a 时，208.146.1==Φ则：A kA aK πσπσπσ696.0I =Φ=Φ=③由于简化为椭圆形裂纹计算得到的应力强度因子要大于简化为圆形裂纹时的应力强度因子，因此偏于安全。

初 始 条 件
损 伤 演 化 率
裂 纹 扩 展 率
启 裂
、 场
计 算 方 法 损 伤 力 学
裂 纹 扩 展
断 裂 力 学
临 界 条 件
耦合的~ 应变损伤分析
应 变 损 伤 本 构 方 程
E 1E
K
~ ~
载 荷 结 构
初 始 条 件
应 力 、 应 变 损 伤 场 历 史
寿命预计 （疲劳、蠕 变、交互）
材料强韧化 性能预计 组织－性能 （复合材料）
连续损伤力学 （ CDM）
承载能力 极限载荷 （边值与变分 问题）
细观破坏 过程
损伤理论体系
Kachanov-Rabotnov 各向同性蠕变损伤
Rousselier 质量密度 Krajcinovic
Bui 突然损伤 修正突然损伤
σ
C
σ
a
C
σ
a
C
σ
C
SU
SU
SU
均质
连续
均质
不连续
不均质
不连续
SU 平均化之新均质体 (含多相信息)
损伤的种类
弹脆性损伤：岩石、混凝土、复合材料、低温金属 弹塑性损伤：金属、复合材料、聚合物的基体，滑移界面(裂纹、 缺口、孔洞附近细观微空间)，颗粒的脱胶，颗粒微裂纹引起微空 洞形核、扩展 剥落(散裂)损伤：冲击载荷引起弹塑性损伤；细观孔洞、微裂纹－ 均匀分布孔洞扩展与应力波耦合 疲劳损伤：重复载荷引起穿晶细观表面裂纹；低周疲劳－分布裂 纹 蠕变损伤：由蠕变的细观晶界孔洞形核、扩展，主要由于晶界滑 移、扩散 蠕变－疲劳损伤：高温、重复载荷引起损伤，晶间孔洞与穿晶裂 纹的非线性耦合 腐蚀损伤：点蚀、晶间腐蚀、晶间孔洞与穿晶裂纹的非线性耦合 辐照损伤：中子、射线的辐射，原子撞击引起的损伤，孔洞形核、 成泡、肿胀

实验断裂、损伤力学测试技术一、引言断裂与损伤力学，作为固体力学的重要分支，研究材料在受到外力作用下的裂缝生成、扩展直至断裂的全过程，以及材料内部微观结构变化导致的性能退化。

在现代社会，无论是日常生活中的各种产品，还是工业生产中的各种设备，都离不开材料的支持。

而材料的断裂与损伤行为，直接关系到这些产品和设备的安全性、可靠性和使用寿命。

因此，断裂与损伤力学的研究对于提升材料性能、保障工程结构安全、优化产品设计等方面具有深远的意义。

实验断裂、损伤力学测试技术是断裂与损伤力学研究的基础和核心。

这些实验方法和技术，通过模拟材料在实际使用中可能遇到的各种复杂受力情况，获取材料在断裂与损伤过程中的关键参数和行为规律。

这些实验数据，不仅为理论研究提供了验证和支持，更为工程应用提供了重要的指导和参考。

因此，实验断裂、损伤力学测试技术在材料科学、机械工程、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

二、实验断裂力学测试技术实验断裂力学测试技术是研究材料断裂行为的重要手段。

科学家们通过精心设计的实验方法和精确的测试手段，能够深入了解材料在断裂过程中的力学行为和损伤演化规律。

这些实验方法和技术，包括三点弯曲试验、紧凑拉伸试验、断裂韧性测试等。

三点弯曲试验的深入解析三点弯曲试验是一种经典的断裂力学测试方法，广泛应用于材料科学和工程领域。

在这种试验中，试样被放置在两支点上，形成一个简支梁结构。

通过在试样上方施加集中载荷，使试样发生弯曲变形，进而观察裂纹在弯曲过程中的扩展行为。

在三点弯曲试验中，载荷与位移之间的关系是科学家们关注的重点。

通过详细记录载荷与位移的变化过程，可以绘制出载荷-位移曲线。

这条曲线反映了材料在弯曲过程中的力学行为和裂纹扩展情况。

通过分析载荷-位移曲线，可以计算出材料的应力强度因子、断裂韧性等关键参数。

应力强度因子是一个描述裂纹尖端应力场强弱的参数，对于评估材料的断裂性能具有重要意义。

而断裂韧性则是描述材料抵抗裂纹扩展能力的重要参数。

断裂力学与损伤分析断裂力学与损伤分析是研究材料在受力作用下发生断裂和损伤的科学。

在工程和材料科学领域中，准确地了解材料的断裂行为和损伤分析对于设计、生产和安全都是至关重要的。

一、断裂力学概述在工程和科学领域中，断裂力学研究材料在受力作用下如何发生断裂的规律。

它主要关注材料内部的微观结构和裂纹的扩展路径。

断裂力学实用于各种材料，如金属、陶瓷、复合材料和塑料等。

通过研究材料的断裂行为，我们可以预测材料在不同条件下的强度和寿命。

二、损伤分析的重要性损伤分析是研究材料在受力作用下如何发生损伤的科学。

它与断裂力学有密切的联系，两者共同研究材料的破坏行为。

损伤分析对于工程和材料科学非常重要。

它可以帮助我们预测材料的寿命和使用条件，并采取相应的措施来延长材料的使用寿命。

三、断裂力学参数的测量与计算在断裂力学与损伤分析中，我们需要测量和计算一些重要的参数，以了解材料的断裂行为。

其中一个重要的参数是断裂韧性。

它是材料在破坏前能吸收的能量的度量，通常用断裂韧性指数来表示。

另一个重要的参数是断裂强度。

它是材料在断裂前所能承受的最大应力。

除了这些参数，还有许多其他的参数，如断裂韧性曲线、缺口尺寸对断裂性能的影响等，都需要测量和计算。

四、断裂力学的应用领域断裂力学与损伤分析在许多工程领域具有广泛的应用。

在航空航天领域，了解材料的断裂行为和损伤分析对于设计和制造可靠的航空器件至关重要。

通过断裂力学，工程师和科学家可以预测材料在极端环境下的破坏行为。

在汽车工业中，断裂力学可以帮助我们设计和制造更坚固、安全的汽车构件。

通过了解材料的断裂机制，我们可以选择合适的材料和生产工艺，以提高汽车的安全性和耐用性。

此外，在建筑、能源和电子等领域，断裂力学与损伤分析也发挥着重要的作用。

五、结论断裂力学与损伤分析是研究材料在受力作用下发生断裂和损伤的科学。

它们对于工程和材料科学具有重要意义，可以帮助我们预测材料的寿命和破坏情况。

通过测量和计算一些重要的参数，我们可以更准确地了解材料的断裂行为，并应用于各个领域，如航空航天、汽车工业和建筑等。

D.应力比小的载荷
17.关于疲劳寿命的预测，以下哪种模型是基于裂纹扩展理论的：( )
A. Manson-Coffin方程
B. Miner法则
C. Paris公式
D. Soderberg方程
18.在交变载荷下，应力幅值与应力平均值的关系：( )
A.应力幅值越高，应力平均值也越高
B.应力幅值与应力平均值无关
18. ABC
19. ABC
20. ABCD
三、填空题
1.表面
2. da/dN-ΔK
3.疲劳极限
4.材料
5.疲劳寿命
6.疲劳损伤累积
7.应力集中
8.门槛值
9.应力强度因子
10.正弦波、三角波
四、判断题
1. ×
2. ×
3. √
4. ×
5. ×
6. ×
7. ×
8. ×
9. ×
10. ×
五、主观题（参考）
A.表面裂纹
B.微观裂纹
C.低应力幅值
D.高应力幅值
20.以下哪些因素会影响疲劳试验的结果：( )
A.试样的制备
B.试验机的精度
C.加载波形
D.试验环境条件
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
1.疲劳裂纹的萌生通常发生在材料的_______区域。
2.疲劳裂纹扩展的速率可以用_______曲线来描述。
8.所有材料的疲劳寿命都可以用S-N曲线来描述。（）
9.在疲劳分析中，静态疲劳极限和动态疲劳极限是相同的。（）
10.疲劳试验中，加载频率对试验结果没有影响。（）
五、主观题（本题共4小题，每题5分，共20分）
1.请简述疲劳裂纹萌生的主要原因，并说明如何通过设计来减少疲劳裂纹的萌生。

铝合金的疲劳与断裂分析考核试卷
考生姓名：__________答题日期：_______得分：_________判卷人：_________
一、单项选择题（本题共20小题，每小题1分，共20分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）
1.铝合金疲劳的主要原因是：（）
A.材料内部缺陷
B.外部应力超过材料屈服强度
10.以下哪种方法不适用于铝合金疲劳裂纹的检测？（）
A.涡流检测
B.超声波检测
C.磁粉检测
D.漏磁检测
11.铝合金的疲劳极限与以下哪个因素有关？（)
A.材料的纯度
B.材料的强度
C.材料的硬度
D.所有上述因素
12.在进行铝合金疲劳测试时，以下哪种应力状态最常见？（）
A.拉伸应力
B.压缩应力
C.弯曲应力
C.温度
D.材料的屈服强度
8.对于铝合金的疲劳裂纹扩展，以下哪种说法正确？（）
A.裂纹扩展速率随应力强度因子增加而减小
B.裂纹扩展速率与应力强度因子无关
C.裂纹扩展速率随应力强度因子增加而增加
D.裂纹扩展速率仅与环境温度有关
9.铝合金在高温环境下的疲劳性能通常：（）
A.提高
B.降低
C.不变
D.与温度变化无关
A.应力比为0.5
B.应力比为-1
C.应力比为0
D.应力比为1
9.以下哪些因素会影响铝合金的断裂韧性？（）
A.材料的微观结构
B.材料的化学成分
C.温度
D.应变速率
10.以下哪些方法可以用来检测铝合金的疲劳裂纹？（）
A.涡流检测
B.超声波检测
C.磁粉检测
D.电子显微镜观察
11.铝合金疲劳裂纹扩展过程中，以下哪些现象是常见的？（）

1.断裂与损伤力学的发展过程以与要解决的问题。

2.材料疲劳损伤机理以与断裂力学基本分析方法。

3.新材料复合材料的损伤以与断裂破坏基础理论。

1、断裂与损伤力学的发展过程以与要解决的问题1.1 断裂力学的发展简史与要解决的问题断裂力学理论最早是在1920年提出。

当时Griffith为了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度比理论强度低的原因，提出了在固体材料中或在材料的运行过程中存在或产生裂纹的设想，其内容是：结构体系内裂纹扩展，体系内总能量降低，降低的能量用于裂纹增加新自由表面的表面能，裂纹扩展的临界条件是裂纹扩展力(即应变能释放率)等于扩展阻力(裂纹扩展，要增加自由表面能而引起的阻力)。

很好地解释了玻璃的低应力脆断现象。

计算了当裂纹存在时，板状构件中δ常数。

应变能的变化进而得出了一个十分重要的结果：=acδ是裂纹扩展的临界应力；a为裂纹半长度。

他成功的解释了玻璃等其中，c脆性材料的开裂现象但是应用于金属材料时却并不成功。

1944年泽纳(Zener)和霍洛蒙(Hollmon)又首先把Griffith理论用于金属材料的脆性断裂。

不久欧文(Irwin)指出，Griffith的能量平衡应该是体系内储存的应变能与表面能、塑性变形所做的功之间的能量平衡，并且还指出，对于延性大的材料，表面能与塑性功相比一般是很小的。

同时把G定义为“能量释放率〞或“裂纹驱动力〞，即裂纹扩展过程中增加单位长度时系统所提供的能量，或裂纹扩展单位面积系统能量的下降率。

1949年Orowam E在分析了金属构件的断裂现象后对Griffith的公式提出了修正，他认为产生裂纹所释放的应变能不仅能转化为表面能，也应转化为裂纹前沿的塑性应变功，而且由于塑性应变功比表面能大得多以至于可以不考虑表面能的影响，其提出的公式为=a c δ=2/1)/2(λEU 常数该公式虽然有所进步，但仍未超出经典的Griffith 公式范围，而且同表面能一样，应变功U 是难以测量的，因而该公式仍难以应用在工程中。