断裂力学与增韧作业

材料的断裂力学分析在材料科学和工程领域中，断裂力学是一门研究材料在外力作用下如何发生破坏的学科。

通过断裂力学的分析，我们可以了解材料在正常使用条件下的破坏原因，以及如何提高材料的断裂韧性和强度。

本文将对材料的断裂力学进行详细分析。

1. 断裂力学的基本概念在了解材料的断裂力学之前，我们需要了解几个基本概念。

1.1 断裂断裂是指材料在外部应力作用下发生破坏、分离的过程。

断裂可以分为韧性断裂和脆性断裂两种类型。

韧性断裂是指材料在破坏之前会出现塑性变形，具有一定的延展性；而脆性断裂是指材料在外力作用下迅速发生破坏而不发生明显的塑性变形。

1.2 断裂韧性断裂韧性是指材料抵抗断裂破坏的能力。

一个具有高断裂韧性的材料可以在外力作用下发生一定程度的塑性变形，从而使其拉伸长度增加。

1.3 断裂强度断裂强度是指材料在破坏前能够承受的最大应力。

断裂强度可以通过拉伸实验等方式进行测定。

2. 断裂力学的分析方法断裂力学的分析方法主要有线弹性断裂力学和非线弹性断裂力学两种。

2.1 线弹性断裂力学线弹性断裂力学假设材料在破坏前的行为是线弹性的，并且材料的破坏是由于应力达到了一定的临界值所引起的。

在线弹性断裂力学中，断裂过程可以通过应力强度因子和断裂韧性来描述。

2.2 非线弹性断裂力学非线弹性断裂力学考虑了材料在破坏前的非线性行为，如塑性变形、蠕变等。

非线弹性断裂力学可以更准确地预测材料的破坏行为，但其计算复杂度较高。

3. 断裂力学的应用断裂力学在材料科学和工程中具有广泛的应用。

3.1 破坏分析通过断裂力学的分析，我们可以确定材料在受力状态下的破坏原因，从而改进材料的设计和制备工艺。

例如，在航空航天领域，对材料的断裂力学进行精确分析可以提高飞行器的安全性和可靠性。

3.2 材料评估通过断裂力学的测试和分析，我们可以评估材料的断裂韧性和强度，为材料的选择和应用提供依据。

这对于许多行业来说是至关重要的，如汽车制造、建筑工程等。

3.3 研发新材料断裂力学的理论和实验研究对于开发新的高性能材料具有重要意义。

材料的断裂力学研究与韧性改进材料的断裂力学研究与韧性改进一直是材料科学领域的重要研究方向。

通过对材料断裂特性的分析和研究，可以进一步了解材料的力学性能，并寻找提高材料韧性的方法。

本文将介绍材料的断裂力学研究和韧性改进的相关内容。

一、材料的断裂力学研究材料的断裂力学研究是研究材料在外力作用下发生破坏的过程。

断裂力学研究的核心是分析材料的断裂行为和破坏机制。

通过对材料断裂的力学行为进行理论建模和实验研究，可以揭示断裂过程中的应力分布、应变分布以及裂纹扩展等现象。

在材料的断裂力学研究中，最重要的概念之一是裂纹。

裂纹是材料内部的一种缺陷，它会造成材料的应力集中，从而导致材料的破坏。

通过研究裂纹的行为，可以预测材料的破坏时间和形式，并为韧性改进提供依据。

二、材料韧性的改进方法在材料工程中，提高材料的韧性是一项重要的任务。

韧性是指材料在受外力作用下发生破坏之前能够吸收的能量。

提高材料的韧性可以增加其抗断裂性能，延缓材料破坏的时间和方式。

改进材料的韧性可以从以下几个方面入手：1. 材料的组织结构设计：通过调整材料的组织结构，例如晶粒尺寸、晶界分布等，可以改变材料的断裂行为。

粗小晶粒和有序的晶界结构可以阻碍裂纹的扩展，提高材料的韧性。

2. 添加合适的成分：通过添加合适的成分，如添加纤维增强材料、增加硬质相、掺杂合适的元素等，可以增强材料的耐切削性和韧性。

3. 表面处理：改变材料的表面性质，如采用化学处理、表面涂层等方法，可以提高材料的耐磨性和抗腐蚀性，进而改善材料的韧性。

4. 加工工艺控制：合理选择加工工艺和工艺参数，可以优化材料的晶粒结构和缺陷分布，提高材料的韧性。

通过上述韧性改进方法，可以提高材料的断裂韧性，延缓材料的破坏，从而使材料在工程应用中具有更好的可靠性和耐久性。

三、材料断裂力学研究的应用材料断裂力学研究在工程领域具有广泛的应用。

通过对材料断裂行为和裂纹扩展的研究，可以为材料的设计、使用和维修提供理论指导。

文章编号 :100328728 (2004) 022*******I 型分层裂纹桥联增韧分析何力军1 ,吕国志2(1 宁夏大学 物理电气信息学院 ,银川 750021 ;2 西北工业大学 飞机系 ,西安 710072)何力军摘 要 :基于比例桥联律 ,利用 Eu ler 2Bernou lli 梁理论 ,给出一个关于 I 型分层桥联裂纹的解析模型 。

结果分析表明 , 裂纹的能量释放率随着裂纹的扩展有一个上升到下降的过程 ,这完全不同于无桥联时的情况 :即能量释放率随着裂 纹的扩展而单调上升 。

桥联纤维止裂效果明显 。

关 键 词 :桥联 ;分层裂纹 ;能量释放率 中图分类号 : T B3文献标识码 :AB rid ging 2Toughening Analysis of Mode 2 Ⅰ I ntrala minar F racture·HE Li 2jun 1, LU G uo 2zhi 2(1 School of Physics & E lectrical Inform ati on , Ningxia University , Y inchuan 750021 ; 2Departm ent of Aircraft E ngineering , N orthwest P olytechnic University , Xi ′an 710072)Abstract : Based on the proporti onal fiber 2bridged law , an analytical m odel of m ode 2 Ⅰ intralaminar fiber 2 bridged fracture is presented by using the E uler 2Bernoulli beam theory. The theoretical investigati on shows that the energy release rate of this fiber 2bridged fracture goes up firstly and then goes down with crack propagati on. It is very different with m ode 2 Ⅰ intralaminar fracture without fiber 2bridge : the energy release rate increases m onotonously with crack propagati on. K ey w or d s : Fiber 2bridge ; Intralaminar fracture ; E nergy release rate纤维增强复合材料层板是由沿不同方向铺设的纤维单 层压合而成 。

第一部分——断裂力学基本概念理论综述断裂力学定位断裂力学是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支，它将力学、物理学、材料学以及数学、工程科学紧密结合，是一门涉及多学科专业的力学专业课程。

学习中介绍了断裂的工程问题、能量守恒与断裂判据、应力强度因子、线弹性和弹塑性断裂力学基本理论、裂纹扩展、J积分以及断裂问题的有限元方法等内容。

断裂力学诞生现代断裂力学（fracture mechanics）这门学科，就在这种背景下诞生了。

从上世纪五十年代中期以来，断裂力学发展很快，目前线性理论部分已比较成熟，在工程方面，已广泛应用于宇航、航空、海洋、兵器、机械、化工和地质等许多领域。

解决断裂问题的思路因为断裂的发生绝大多数都是由裂纹引起的，而断裂尤其是脆性断裂，一般就是裂纹的失稳扩展。

裂纹的失稳扩展，通常由裂纹端点开始。

因此，发生断裂的时机必然与裂端区应力应变场的强度有关。

对于不含裂纹的物体，当某处的应力水平超过屈服应力，就要发生塑性变形；而对于含裂纹的物体，当某裂端表征应力应变场强度的参量达到临界值时，就要发生断裂。

这个发生断裂的临界值很可能是材料常数，它既可表征材料抵抗断裂的性能，亦可用来衡量材料质量的优劣。

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。

断裂力学研究内容储备强度究竟是个什么样的参量？它与表征裂端区应力变场强度的参量有何关系？如何计算它？如何测量它？它随时间变化的规律如何？受到什么因素的影响？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。

断裂力学与断裂韧性3.1 概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。

自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。

例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就被认为是安全的了。

而[σ]，对塑性材料[σ]=σs /n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。

经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。

原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。

人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。

因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。

可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。

3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论3.2.1 理论断裂强度金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。

图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。

如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，当位移达到Xm 时吸力最大以σc表示，拉力超过此值以后，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全分离的程度。

可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σc。

该力和位移的关系为图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。

聚合物增韧方法及增韧机理*陈立新 蓝立文 王汝敏(西北工业大学化工系,西安市710072)收稿日期:2000-07-03作者简介:陈立新女,1966年生,博士、讲师,已发表论文20余篇。

* 先进复合材料国防科技重点实验室基金资助。

摘要 探讨了聚合物增韧方法及增韧机理,为材料的研制与开发提供新的思路和准则。

关键词 增韧 机理 聚合物T oughening mechanism and methods of polymerChen Lixin Lan Liw en Wang Rumin(Dept.of Chemical Engineer ing ,N orthwest U niversity,Xi .an 710072)Abstract T he toughening mechanism and methods of polymer are discussed in differ ent aspects.Some new ideas and principles are also prov ided for the development of mater ials.Keyw ords T oug hening M echanism Polymer1 前言聚合物增韧一直是高分子材料科学研究的重要内容。

最早采用弹性体来增韧聚合物,如通过橡胶增韧苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)树脂,制备了性能优良的ABS 工程塑料;通过液体端羧基丁腈橡胶(CTBN)增韧环氧[1];端氨基丁腈(ATBN )增韧BM [2],提高了树脂的断裂韧性。

但在提高韧性的同时,却使刚度、强度和使用温度大幅度降低。

自20世纪80年代中期,人们开始讨论研究采用非弹性体代替橡胶增韧聚合物的新思路[3~6],先后获得了PC/ABS 、PC/AS 、PP/ABS 刚性有机粒子增韧体系,以及热塑性树脂(PEI,PH ,PES 等)贯穿于热固性树脂(EP,BMI)网络中的增韧体系。

材料力学中的断裂韧性研究材料力学是研究物质的性质和力学行为的学科，而断裂韧性则是材料在断裂过程中所能吸收的能量的度量。

在材料科学和工程中，断裂韧性是一个关键的性能指标，它对于材料的使用和应用具有重要的意义。

本文将探讨材料力学中的断裂韧性研究，并介绍一些相关的实验方法和应用。

断裂是材料在受力作用下发生破坏的过程。

在工程领域中，材料的断裂可能引发严重的事故和损失。

因此，研究材料的断裂行为以及评估其断裂韧性具有重要的工程背景和应用价值。

断裂韧性常常通过断裂韧度（fracture toughness）来度量。

断裂韧度可以由KIC、GIC等参数来表示。

KIC是指应力强度因子，即在压裂或屈服前，材料的最大应力因子。

而GIC是指断裂能量耗散率，即材料在单位面积上承受的能量消耗。

在断裂韧性研究中，有很多实验方法可以用来评估材料的断裂性能。

其中最常见的是张开模型实验（Opening Mode Experiment）。

这种实验方法通过施加张开力来产生断裂，在此过程中测量断裂前后的延伸长度，并计算断裂韧度。

另外，还有剪切模型实验（Shear Mode Experiment）、剥离模型实验（Peel Mode Experiment）等多种实验方法可用于研究材料的断裂性能。

这些不同的实验方法可以使研究者更全面地了解材料在不同载荷情况下的断裂行为和韧性。

断裂韧性的研究不仅适用于金属材料，也适用于陶瓷、复合材料等其他类型的材料。

例如，陶瓷材料在高温高应力下容易发生断裂。

因此，研究陶瓷材料的断裂行为和韧性对于提高其使用性能和安全性至关重要。

除了实验方法外，数值模拟方法也被广泛应用于断裂韧性研究。

通过建立合适的断裂力学模型和材料参数，可以在计算机上模拟材料断裂过程，并计算其断裂韧度。

这种数值模拟方法具有成本低、效率高和可重复性好等优点，为断裂韧性的研究提供了一种有效的手段。

断裂韧性的研究对于材料工程和结构设计具有重要的指导意义。

115第六章 断裂力学简介及材料典型强韧化机制§6.1 断裂的基本概念§6.1.1 断裂力学的产生和发展断裂是构件破坏的重要形式之一，影响材料断裂的因素很多，如构件的形状及尺寸，载荷的特征与分布，构件材料本身的状态及应用的环境如温度、腐蚀介质等，当然更重要的还有材料本身的强度水平。

为了防止构件的断裂或变形失效，传统的安全设计思想主要立足于外加载荷与使用材料的强度级别的选用，根据常规的强度理论，只要构件服役应力与材料的强度满足⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=21m ax K K sb σσσ (6- 1) 则认为使用是安全的。

其中σmax 为构建所承受的最大应力；σb ，σs 分别为材料的强度极限和屈服强度，K 1与K 2分别为按强度极限与按屈服强度取用的安全系数。

安全系数是一个大于1的数，其含义为扣除了材料中对强度有影响的诸因素对强度可能造成的损害作用，应当说这种考虑问题的出发点是合理的，也应当是行之有效的，因而多年来这种设计思想在工程设计中发挥了重要作用，而且还会继续发挥其重要作用。

关于断裂力学的最早理论可以追溯到1920年，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，Griffith 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，计算了当裂纹存在时，板状构件中应变能的变化进而得出了一个十分重要的结果。

σc a =常数 (6- 2)其中，σc 是断裂扩展的临界应力；a 为断裂半长度。

该理论非常成功地解释了玻璃等脆性材料的开裂现象，但应用于金属材料并不成功，又由于当时金属材料的低应力破坏事故并不突出，所以在很长一段时间内未引起人们的重视。

1949年E.Orowan 在分析了金属构件的断裂现象后对Griffith 公式提出了修正，他认为产生断裂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：σc a ＝212⎪⎭⎫⎝⎛λEU＝常数(6- 3)Orowan公式虽然有所进步，但仍未超出经典的Griffith公式的范围，而且同表面能一样，形变功U也是难以测量的，因而该式仍难以实现工程上的的应用。

研究生课程考试答题册学号056060343姓名徐红炉考试课目断裂力学考试日期2006.9西北工业大学研究生院1． 分析1型裂纹尖端附近的应力应变场。

考虑在无限远处受双向拉伸应力作用的Ⅰ型裂纹问题。

其Westergaard 应力函数的形式选为：)(~)(~~z Z yI z Z R I m I e I +=φ，该函数满足双协调方程，其相应的应力分量为)()(22z Z yI z Z R y I m I e Ix '-=∂∂=φσ （1a ）)()(22z Z yI z Z R xI m I e Iy '+=∂∂=φσ （1b ）)(2z Z yR yx I e Ixy'-=∂∂∂=φτ （1c ）相应的应变分量)]()1()()1[(1)(1z Z I y z Z R E E I m I e y x x ''+-'-'='-'=ννσνσε （2a ）)]()1()()1[(1)(1z Z I y z Z R E E I m I e x y y ''++'-'='-'=ννσνσε （2b ）Gz Z yR G I e xyxy)('-==τγ （2c ） 先确定一个解析函数)(1z Z ,使得到的应力分量应满足问题的全部边界条件。

将x 坐标轴取在裂纹面上，坐标原点取在裂纹中心，则边界条件为： （1） y=0,x ∞→,σσσ==y x（2） y=0,a x <,的裂纹自由面上，0=y σ，0=xy τ；而当a x >，随着a x →，∞→σ。

因此选择函数222)/(1)(ax xx a x Z I -=-=σσ，用z=x+iy 代替上式中的x ，从而有22)(az zz Z I -=σ （3）满足上述边界条件。

为计算方便，将原点坐标从裂纹中心移至裂纹的右端点处，采用新坐标ξ，a z a iy x iy a x -=-+=+-=)()(ξ，或写成a z +=ξ。