斷裂力學(xué)答案

1、A1.簡(jiǎn)述斷裂力學(xué)的發(fā)展歷程（含3-5個(gè)關(guān)鍵人物和主要貢獻(xiàn)）。答：（1）斷裂力學(xué)的思想是由Griffith在1920年提出的。他首先提出將強(qiáng)度與裂紋長(zhǎng)度定量地聯(lián)系在一起。他對(duì)玻璃平板進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，提出了能量理論思想。（2）斷裂力學(xué)作為一門科學(xué)，是從1948年開(kāi)始的。這一年Irwin發(fā)表了他的第一篇經(jīng)典文章FractureDynamic（斷裂動(dòng)力學(xué)）”，研究了金屬的斷裂問(wèn)題。這篇文章標(biāo)志著斷裂力學(xué)的誕生。（3）關(guān)于脆性斷裂理論的重大突破仍歸功于Irwino他于1957年提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，在此基礎(chǔ)上形成了斷裂韌性的概念，并建立起測(cè)量材料斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。這樣，作為斷裂力學(xué)的最

2、初分支一一線彈性斷裂力學(xué)就開(kāi)始建立起來(lái)了。（4）1963年，Wells提出了裂紋張開(kāi)位移（COD）的概念，并用于大范圍屈服的情況。研究表明，在小范圍屈服情況下COD法與LEFM是等效的。（5）1968年，Rice等人根據(jù)與路徑無(wú)關(guān)的回路積分，提出了J積分的概念。J積分是一個(gè)定義明確、理論嚴(yán)密的應(yīng)力應(yīng)變參量，它的實(shí)驗(yàn)測(cè)定也比較簡(jiǎn)單可靠。J積分的提出，標(biāo)志著彈塑性斷裂力學(xué)基本框架形成。>2.斷裂力學(xué)的定義，研究對(duì)象和主要任務(wù)。答：（1）斷裂力學(xué)的定義：斷裂力學(xué)是一門工程學(xué)科，它定量地研究承載結(jié)構(gòu)由于所含有的一條主裂紋發(fā)生擴(kuò)展而產(chǎn)生失效的條件。（2）研究對(duì)象：斷裂力學(xué)的研究對(duì)象是帶有裂紋的承載

3、結(jié)構(gòu)。（3）主要任務(wù)：研究裂紋尖端附近應(yīng)力應(yīng)變分布，掌握裂紋在載荷作用下的擴(kuò)展規(guī)律；了解帶裂紋構(gòu)件的承載能力，進(jìn)而提出抗斷設(shè)計(jì)的方法，保證構(gòu)件安全工作。A3.什么是平面應(yīng)力和平面應(yīng)變狀態(tài)，二者有什么特點(diǎn)？請(qǐng)舉例說(shuō)明之。答：（1）平面應(yīng)力：薄板問(wèn)題，只有xoy平面內(nèi)的三個(gè)應(yīng)力分量<1x、Oy、Txy；能。0,屬三向應(yīng)變狀態(tài)。（2）平面應(yīng)變：長(zhǎng)壩問(wèn)題，與oz軸垂直的各橫截面相同，載荷垂直于z軸且沿z軸方向無(wú)變化；&=0,中第0,屬三向應(yīng)力狀態(tài)；材料不易發(fā)生塑性變形，更具危險(xiǎn)。A4.什么是應(yīng)力強(qiáng)度因子的疊加原理，并證明之。掌握工程應(yīng)用的方法。答：（1）應(yīng)力強(qiáng)度因子的疊加原理：復(fù)雜載荷下

4、的應(yīng)力強(qiáng)度因子等于各單個(gè)載荷的應(yīng)力強(qiáng)度因子之和。（1）丹在外載荷T2作用下，裂紋前端應(yīng)力場(chǎng)為C2,則相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子為Kl（2）=仃2Ha如果外載荷T1和T2聯(lián)合作用，則裂紋前端應(yīng)力場(chǎng)為5+C2，則相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子為K1=（c1.02）4二a；:1"a'2a（1）=K-K1（2）>6.為什么裂紋尖端會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛？如何對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行修正？答：裂紋尖端附近存在著小范圍的塑性區(qū)（設(shè)塑性區(qū)是以裂紋尖端為圓心，半徑為r0的圓形區(qū)域），材料屈服后，多出來(lái)的應(yīng)力將要松馳（即傳遞給r>r0的區(qū)域），使r0前方局部地區(qū)的應(yīng)力升高，又導(dǎo)致這些地方發(fā)生屈服。即屈服導(dǎo)致應(yīng)力松弛

5、。Irwin提出了有效裂紋尺寸的概念aeff=a+ry對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行修正，在小范圍條件下，只需把有效裂紋長(zhǎng)度帶入，即可得到修正后的應(yīng)力強(qiáng)度因子K=Ycth(a+ry)o8 .J積分的定義和特性答：(1)J積分的定義：建立一個(gè)圍繞裂紋尖端的圍線積分，這個(gè)積分值與積分路徑無(wú)關(guān)，為一常數(shù)，并認(rèn)為這一數(shù)值反應(yīng)了裂尖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)度。J=?dy_T很ds)t為作x用在微元ds上的表面力矢量。(2)J積分的特性Ja.守懂性:能量線積分，與路徑無(wú)關(guān)。b.通用性和奇異性：積分路線可以在裂紋附近的整個(gè)彈性區(qū)域內(nèi)，也可以在接近裂紋的頂端附近。c.J積分值反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能，即應(yīng)力應(yīng)變的集中程度。9 .J

6、積分工程估算原理答：對(duì)于實(shí)際裂紋結(jié)構(gòu)，用解析解計(jì)算J積分值是相當(dāng)困難的。美國(guó)EPRI經(jīng)過(guò)大量研究工作，提出了一種彈塑性的估算方法。這種方法是將彈性解和全塑性解簡(jiǎn)單地相加而得到彈塑性解，其Mi式為：ep.:c=ecI.ae.,:pc.10.K、G和J的關(guān)系如何？答：(1)在線彈性條件下，這三個(gè)參量可以互相替換，它們各自的斷裂判據(jù)都是等效的，對(duì)I型裂紋：1EE二E一其中，平面應(yīng)力：E'=E;平面應(yīng)變：172(2)在彈塑性條件下，應(yīng)力強(qiáng)度因子已不在適用，主要是運(yùn)用J積分和COD參量。在大范圍屈服的情況下二者之間的關(guān)系(采用D-M模型)：J=仃sd,考慮到實(shí)際材料，工程中可以對(duì)其進(jìn)行修正：J=

7、k二s、.J=-KI2=GA11.什么是蠕變，有何特點(diǎn)？蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化中一般可劃分成幾個(gè)階段？答：（1）在溫度不變、載荷不變的條件下，試件的變形也會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而緩慢增大，這一現(xiàn)象稱為蠕變現(xiàn)象。（2）特點(diǎn)：應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度os；長(zhǎng)時(shí)間作用；蠕變伴隨溫度升高加??；蠕變速率和材料性質(zhì)、加載結(jié)構(gòu)有關(guān)；蠕變機(jī)制隨著溫度和應(yīng)力不同而不同。（2）蠕變隨時(shí)間的延續(xù)大致分3個(gè)階段：初始蠕變或過(guò)渡蠕變，應(yīng)變隨時(shí)間延續(xù)而增加，但增加的速度逐漸減慢；穩(wěn)態(tài)蠕變或定常蠕變，應(yīng)變隨時(shí)間延續(xù)而勻速增加，這個(gè)階段較長(zhǎng)；加速蠕變，應(yīng)變隨時(shí)間延續(xù)而加速增加，直達(dá)破裂點(diǎn)。應(yīng)力越大，蠕變的總時(shí)間越短；應(yīng)力越小，蠕變的總

8、時(shí)間越長(zhǎng)。但是每種材料都有一個(gè)最小應(yīng)力值，應(yīng)力低于該值時(shí)不論經(jīng)歷多長(zhǎng)時(shí)間也不破裂，或者說(shuō)蠕變時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)，這個(gè)應(yīng)力值稱為該材料的長(zhǎng)期強(qiáng)度A12.在材料的彈塑性行為中，存在臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子和臨界J積分，它們是表征裂紋是否擴(kuò)展的材料參數(shù)，在材料的蠕變行為中是否存在這樣的臨界C*?為什么？k13.裂紋止裂的原理為何？工程中常用的止裂方法有哪些？答：（1）裂紋止裂的原理：在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，彈性能釋放率G并不總是裂紋長(zhǎng)度的漸增函數(shù)。在某些情況下，它也可能隨裂紋長(zhǎng)度a的增加而減小。這樣，隨著裂紋的向前擴(kuò)展，彈性能釋放率G就有可能低于裂紋的擴(kuò)展阻力R,從而使裂紋停止擴(kuò)展而出現(xiàn)止裂現(xiàn)象。（2）工程中常用的止裂方

9、法有：對(duì)于輸氣或輸油管線，可在管線的一定部位接入一節(jié)高韌性材料管段；在飛機(jī)上，則廣泛采用加筋板或止裂筋帶結(jié)構(gòu)。A14.試述疲勞問(wèn)題的特點(diǎn)，并試舉2-3個(gè)工程案例；答：（1）在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程，稱為疲勞。特點(diǎn)：材料受到擾動(dòng)應(yīng)力；應(yīng)力經(jīng)過(guò)多次循環(huán)；局部先產(chǎn)生微裂紋；從裂紋到失效是發(fā)展過(guò)程；疲勞產(chǎn)生于應(yīng)力集中區(qū)，疲勞應(yīng)力常低于屈服強(qiáng)度；斷裂前無(wú)明顯的塑性變形。（2）工程案例：二次大戰(zhàn)期間，400余艘全焊接艦船斷裂；2005.4.25,上午9:20,日本兵庫(kù)縣尼崎市列車脫軌：死亡106人，傷400人。A1

10、5.分析疲勞斷口的組成與影響因素；答：（1）疲勞斷口的組成：一個(gè)典型的疲勞斷口總是由疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)三部分構(gòu)成。（2）影響因素：平均應(yīng)力（拉伸平均應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度，壓縮平均應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度）、表面加工與處理（疲勞裂紋通常起始于零件表面，因此，表面狀況對(duì)疲勞壽命有很大的影響，表面光潔度越高，形成疲勞裂紋的時(shí)間越長(zhǎng)）、加載型式、缺口與應(yīng)力集中、試樣的尺寸。A16.分析疲勞應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點(diǎn)；答：?jiǎn)握{(diào)拉伸和單調(diào)壓縮：曲線關(guān)于原點(diǎn)O對(duì)稱，屈服極限以內(nèi)是直線。循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線：外載處于材料的彈性范圍內(nèi)，不產(chǎn)生塑性；外載超過(guò)材料的比例極限時(shí)，形成遲滯回線；當(dāng)材料的Os/石b<0.7

11、時(shí)，屬循環(huán)硬化材料，當(dāng)CTs/ObA0.8時(shí),屬循環(huán)軟化材料；在常幅應(yīng)力控制下，應(yīng)變不斷提升的現(xiàn)象叫做循環(huán)蠕變；在常幅應(yīng)變控制下，應(yīng)力不斷下滑的現(xiàn)象叫做循環(huán)松弛。穩(wěn)態(tài)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線是由在應(yīng)變比R=Zmin/Zmax二_1下的應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)并將不同應(yīng)變水平下的穩(wěn)態(tài)滯后環(huán)的尖點(diǎn)連接起來(lái)得到。17.抗疲勞設(shè)計(jì)方法有哪幾種？答：（1）無(wú)限壽命設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)思想：確保應(yīng)力或應(yīng)變基本處于彈性狀態(tài)，并且低于相應(yīng)的疲勞極限，即假設(shè)零件無(wú)初始裂紋，也不發(fā)生疲勞破壞，壽命是無(wú)限的。（2）有限壽命設(shè)計(jì)方法（也叫安全壽命”方法）：設(shè)計(jì)思想：采用超過(guò)疲勞極限的工作應(yīng)力，以適應(yīng)一些更新周期短或一次消耗性的產(chǎn)品達(dá)到零件重量

12、輕的目的，也適用于寧愿以定期更換零件的辦法讓某些零件設(shè)計(jì)得壽命較短而重量較輕。（3）失效-安全設(shè)計(jì)方法：失效-安全設(shè)計(jì)要求如果一個(gè)零件失效，整個(gè)系統(tǒng)并不失效。這種方法承認(rèn)會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋，但可以通過(guò)重新分布結(jié)構(gòu)型式以抑制裂紋在被檢測(cè)和修復(fù)前引起結(jié)果破壞。（4）損傷容限設(shè)計(jì)方法：規(guī)定剩余壽命應(yīng)大于兩個(gè)檢修周期，以保證在發(fā)生疲勞破壞之前，至少有兩次發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展到危險(xiǎn)程度的機(jī)會(huì)。（5）基于可靠性的設(shè)計(jì)方法：設(shè)計(jì)思想：疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)是在規(guī)定的壽命內(nèi)和規(guī)定的使用條件下，保證疲勞破壞不發(fā)生的概率在給定值（可靠度）以上的設(shè)計(jì)，使零部件的重量減輕到恰到好處。：（6）超長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)（有待形成具體的設(shè)計(jì)路線）A

13、18.試述主要的疲勞損傷累積理論；答：損傷（Damage）是材料和工程構(gòu)件中細(xì)微結(jié)構(gòu)”的變化，引起微裂紋的萌生、成長(zhǎng)與合并，導(dǎo)致材料的變質(zhì)和惡化。損傷積累的結(jié)果往往產(chǎn)生宏觀裂紋，導(dǎo)致最終斷裂。裂紋萌生于塑性應(yīng)變集中區(qū)且往往在自由表面；裂紋尖端塑性區(qū)決定疲勞損傷；疲勞損傷理論以以疲勞損傷D的定義為基石，以疲勞損傷的演化dD/dn為基礎(chǔ)：11）線性疲勞累積損傷理論（Palmgren-Miner理論）：一個(gè)循環(huán)D=1/N,N個(gè)循環(huán)DCR=1，不考慮載荷次序影響；（2）非線性疲勞累積損傷理論p（Carten-Dolan理論）：一個(gè)循環(huán)D=。+r,N個(gè)循環(huán)DgnmCr5臨界損傷i1Dcr=Nm1cr1d

14、；（3）概率疲勞累積損傷理論（建立在疲勞累積損傷的隨機(jī)性基礎(chǔ)上）：一個(gè)循環(huán)D=1,N個(gè)循環(huán)D（n）=Z4臨界損傷CD是一個(gè)隨機(jī)變量，均值為1。i1，、A19.疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律與Paris公式，實(shí)驗(yàn)中如何獲得裂紋擴(kuò)展速率？答：（1）裂紋擴(kuò)展速率da*N,即交變載荷每循環(huán)一次所對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展量，在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，daQN不斷變化，每一瞬時(shí)的dadN即為裂紋長(zhǎng)度a隨交變載荷循環(huán)數(shù)N變化的a-N曲線在該點(diǎn)的斜率。1963年P(guān)aris首先把斷裂力學(xué)引入了疲勞裂紋的擴(kuò)展，并認(rèn)為擴(kuò)展速率受控于裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度K,AK=Kmax-Kmin由=c(-K)mdNc、m均為與材料有關(guān)的常數(shù)。（2）試驗(yàn)

15、中由（a,N）數(shù)據(jù)得到裂紋擴(kuò)展速箱dN。/A21.簡(jiǎn)要描述材料斷裂韌性的測(cè)試方法及過(guò)程。答：（1）壓痕法（IM）:測(cè)試試樣表面先拋光成鏡面，在顯微硬度（HV）儀上，以10Kg負(fù)載在拋光表面用硬度計(jì)的錐形金剛石壓頭產(chǎn)生一壓痕，這樣在壓痕的四個(gè)頂點(diǎn)就產(chǎn)生了預(yù)制裂紋。根據(jù)壓痕載荷P和壓痕裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度C計(jì)算出斷裂韌性Kic。（2）單邊切口梁（SENB）法：在試樣中間開(kāi)一裂紋，通過(guò)三點(diǎn)或四點(diǎn)抗彎斷裂測(cè)試，計(jì)算材料的斷裂韌性Kico2222.沖擊試驗(yàn)可獲得哪些材料性能參數(shù)？這些參數(shù)在工程中如何應(yīng)用？»23.我國(guó)缺陷評(píng)定規(guī)范GB/T19624在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定中常規(guī)評(píng)定采用了雙參量失效評(píng)定圖技術(shù)，請(qǐng)畫出該圖的簡(jiǎn)圖，在該圖中橫縱坐標(biāo)分別是什么，如何用該圖來(lái)評(píng)定一含裂紋缺陷的結(jié)構(gòu)安全？失效評(píng)定圖由失效評(píng)定曲線（FAC）和截?cái)嗑€cut-off組成，失效評(píng)定曲線由兩個(gè)參數(shù)Kr和Lr來(lái)定義。Kr為斷裂參數(shù)，Lr為施加的無(wú)因次載荷，他們的定義分別如下:Kr=KKicPL