宏观断裂力学的发展史

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　传统的强度设计渊源于伽利略的材料强度学说，即任一构件受载时最大特征应力达到材料抗力时便发生破坏。类似的思想可从上述一次性加载工况推广到往复加载工况，得到传统的S-N设计曲线。

　　传统的强度设计方法存在下述弊端：

　　1、从物理学角度上，它不能识别固体材料的典型特征破坏过程。这些特征破坏过程包括：（1）从微裂纹形核、亚临界扩展、微裂纹汇合成宏观裂纹，并发展至灾难性失稳扩展的脆性断裂过程（2）从孔洞形核、长大、片状汇合到持续撕裂的韧性断裂过程（3）从驻留滑移带处累计塑性变形到疲劳裂纹形核，继而呈花纹状辗压扩展的疲劳断裂过程。

　　2、从力学角度上，它不能描述由于裂纹状缺陷存在而于裂纹尖端产生的严重应力集中。材料的强度不仅与载荷水平有关，还与裂纹几何有关。传统强度理论无法表征裂纹尖端的奇异场。

　　3、从材料科学角度上，它不能解释理论强度远高于实际强度的原因。对于这些原因的探索导致了材料强韧化力学的诞生。

　　4、从工程应用角度上，它不足以防止工程结构的破坏。在第二次世界大战中出现的大量低应力脆断事故加速了断裂力学发展为一门前缘学科的进程。

　　断裂力学学科的先导者是英国科学家A.A.Griffith。他在1920年、1924年相继发表的两篇论文中建立了脆断理论的基本框架。Griffith这一划时代的贡献得益于Inglis关于含椭圆孔无限平面介质的弹性解。在Griffith以后二十余年间，很多科学家在这一学科中播下了对断裂力学发展有启蒙作用的火花，但均没有上升到40年代末、50年代初G.Irwin等人所达到的高度。Irwin和Orowan在同一历史时期内分别独立地建立了工程材料的脆性断裂理论，提出了把Griffith学说应用于不局限于表面能控制的脆性断裂过程的物理基础和操作方案。Irwin在1957年完成了应力强度因子理论的基本构架，并提出弹塑性材料的小范围屈服理论。裂纹这类规整力学边值问题的出现激发了固体力学家的热忱。复函数和积分变换等方法在求解应力强度因子时显示出威力。1973年，以Tada、Paris和Irwin编纂的第一本应力强度因子手册问世，标志着线弹性断裂力学趋于成熟。

　　弹塑性断裂的发展起步于60年代。英、美两国科学家在研究这一困难问题时采取了不同的切入角度。英国科学家认为弹塑性断裂过程集聚于裂纹前方的条状屈服区，并开展了各种断裂过程区模型，如BCS连续位错模型、Cottrell的各种断裂过程区模型、Dugdale的简化条状塑性区模型、Barenblatt的内聚断裂模型等。上述模型为Wells在60年代初提出以裂纹张开位移（COD）为断裂参量的想法提供了物理基础，并在70年代末发展为压力容器结构和承压核结构的缺陷评定标准。美国科学家则更多地继承了Irwin关于用应力强度因子来刻划裂纹尖端奇异场强度的思想。这一探索在1968年获得突破，J积分和HRR场成为影响一代弹塑性断裂力学学者的断裂参量和奇异场分析方法。以J积分作为断裂准则，美国电力研究院发展了弹塑性缺陷评价的工程估算方法，称为EPRI方法，并在1991年推出了一本较完整的延性断裂手册，标志着弹塑性断裂力学走向成熟。

　　无论是条状断裂过程区的研究，还是弥散状裂纹尖端奇异场的研究都只是弹塑性断裂研究的一个方面。它们相辅相成。前者强调自裂尖发出的形变和损伤局部化过程，忽略了局部化带外的塑性耗散；后者在不发生局部化的前题下对非敦化的裂尖几何进行精确的力学分析。关于内嵌过程区的塑性耗散氛围研究是沟通这两条研究路线的一个有益努力。文章来源：洛克斯石油论坛 洛克斯石油网