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断裂力学的历史发展与思考
日期:2015-11-26 】【打印 关闭

1 断裂与断裂力学

打开《辞海》,可查到断裂的条目解释:开裂而断;染色体的横断破坏;岩石破裂构造的统称. 这三者涵盖器具、材料、构件与工程,又涉及生物、医学与保健,还拓延至自然界. 万物众生,均有断裂现象. 而断裂力学是从力学的角度来研究断裂现象的分支学科.

结构或材料的断裂会造成大量人员伤亡,经济损失高达各国国内生产总值的6%~ 8%,随着大工业技术的发展,航空、船舶、容器和管道中部件的断裂频繁发生,传统的强度理论已难于满足现代结构和材料的设计要求以达到安全经济的目的. 在这样的背景下,宏观的断裂力学孕育而生. 并伴随着新材料、仿生材料、自然界地质材料与构造的断裂与破坏的规律的研究需要,断裂的研究内涵与疆域得到逐步地拓广,而服务于结构的安全与民生的福祉.

断裂力学是固体力学的一个分支,研究含裂纹型缺陷的物体的强度和裂纹扩展的规律. 断裂力学的研究内容包括:用力学的理论与方法探求描述主导裂纹起裂与扩展的力学参量;确定材料抵抗裂纹扩展能力的指标和上述二者的联系|| 断裂准则. 20 世纪50 年代开始形成与发展的断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、核电、材料、能源、微电子、生物医学、地震等工程领域得到广泛的应用.

而研究材料或构件在各种载荷条件下物体中的各种形式的损伤的损伤力学, 认为材料中存在着分布的缺陷,其表现如位错、微裂纹、微空洞、剪切带等. 损伤力学研究这些损伤的演化规律,当这些损伤发展为裂纹型缺陷后,它与断裂力学研究的对象汇流. 多年来断裂与损伤的力学成为材料强度理论新的研究与应用领域.

起初,断裂力学的研究,是由含有裂纹型缺陷的固体的力学分析展开的,并研究其工程的应用如选材时如何兼顾其强度与韧性,如何保证含缺陷的构件与结构的安全,如何定量描述在各种复杂外载下材料与构件的寿命或确定其检修的周期. 但是当材料学家从缺陷的萌生与细微观至宏观的扩展演化过程中,揭示了丰富的材料与构件中缺陷发生与发展过程图景之后,人们便着眼如何追溯其缺陷的成因与演化并力图用力学的方法加以定量描述. 因此,宏-- -- 微观的断裂力学则应运而生且与时俱进地发展起来.

2 断裂力学的发展概要

(1) 国际上断裂力学的发展:早在1921 Griffith 在研究玻璃断裂的问题时,提出了能量释放率准则,奠定了断裂力学的基础. 20 世纪50 年代航空结构脆断与高强度钢的使用,工程提出了断裂的要求.Irwin 1957 年提出了应力强度因子的断裂准则;1968 Rice Hutchinson 揭示了弹塑性裂纹尖端的奇异场理论(Hutchinson--Rice Rosengren-field,HRR ) J 积分,奠定了弹塑性断裂力学的基础. 1960 Wells 在实验的基础上,提出了以裂纹张开位移作为韧性断裂的控制参量,Barenblatt提出内聚区断裂模型. 经五十多年的发展,宏观断裂力学已发展成一个独立的学科分支. 对材料的强韧化和保证结构的安全等方面,起了十分重要的作用.当人们深入追溯断裂的原因,探求细微观的断裂过程并从力学的角度进行研究的时候,宏微观断裂力学得以发展. 具体的描述可参考文献.

(2) 断裂力学在我国的发展:公元550 年,学者刘子在《慎隙》文中指出:墙之崩颓,必因其隙; 剑之毁折,皆由于璺". 即墙之崩坏颓散,是因为有间隙;剑的毀坏折断,皆由于裂纹之故. 明确指出裂纹会引起结构与工具的断裂破坏.

近代以来,我国的断裂力学的发展,在国际上已经占有一席之地.20世纪40 年代,李四光出版的专著《地质力学之基础与方法》中应用Griffith 的断裂理论以解释地质学中断层运动与地震现象.

1972 年起,由于航空工业的发展,冶金部钢铁研究总院成立了断裂力学研究组,从测试材料的断裂韧性开始,研究工作涉及线弹性断裂力学、非线性断裂力学和疲劳裂纹扩展等领域. 与此同时,国内多个单位相继开展了断裂力学的研究,发起并组织了1971 年全国第一次断裂力学学术讨论会. 迄今有材料疲劳与断裂、非线性连续介质力学等国家重点实验室和有关教育部重点实验室为骨干的实验室和几十个研究单位从事断裂的研究与应用. 据不完全统计,21 世纪初, 我国从事断裂力学和与断裂有关的研究与实验的有2 000 多人. 20 世纪70 年代以来,中国力学学会、航空学会、机械工程学会、金属学会等学会发起与组织召开全国断裂会议, 各相关的全国性学会轮流主持, 2~3 年召开一次全国性的断裂与疲劳的全国性学术大会,至2014年已连续举行了17 . 我国断裂与疲劳的研究,多年来已经形成了有组织地开展科学研究与学术交流的好传统,国家自然科学基金委员会及相关的工业部门也提供了持续的经费与政策的支持. 我国于1977 年成为国际断裂大会(International Conferenceon Fracture,ICF) 的成员,1983 年,在北京,国内外断裂大会举办了国际断裂研讨会,首次邀请了国际断裂界的近百位代表,开展断裂力学的国际学术交流. 多年来,许多中国学者先后担任ICF 的主席、副主席和执委. 在协作研究的基础上,我国推出了多项国家标准《在用含缺陷压力容器的安全评定(GB/T19624-2004)》等和《压力容器缺陷评定规范(CVDA-1984)》的指导性文件. 并相继推出了KR 阻力曲线,疲劳裂纹扩展 等多项技术指导性文件.

20 世纪我国断裂研究取得许多重要的成果. : 裂纹钝化模型; 岩石断裂分形几何研究; 高速动态裂纹扩展; 材料扩展裂纹尖端的奇异场; 考虑剪切变形的含裂纹板壳理论; 断裂力学的权函数方法; 三维应力强度因子的变分解法; 断裂力学的积分方程方法求解; 相变陶瓷的剪切塑性增韧机制; 非平衡统计断裂力学等. 21 世纪以来, 断裂研究又取得许多具有重要影响的研究成果:连续力学与原子尺度的断裂分析的连接; 纳观以至原子尺度界面断裂过程的实验观察; 固体微尺度断裂研究;电致失效力学; 电磁固体的变形与断裂, 功能材料与结构的多场效应与破坏理论; 压电和电磁机敏材料及结构力学行为的基础研究; 超高温条件下复合材料的热致损伤机理和失效行为; 岩石破裂过程失稳理论及其工程应用, 破断岩体表面形貌与力学行为研究等.

我国在1980 年颁布了《利用JR 阻力曲线确定金属材料延性断裂韧度的试验方法》的国家标准GB2038-80. 它是根据我国J 积分理论和试验研究成果,对23 种材料的100 多组近千个试件,在全国协作的大量试验基础上制订的,而美国材料试验学会(American Society for Testing and Materials, ASTM)相关标准ASTME813-811981 年发表的.

在断裂研究的基础上, 我国制定了弹塑性断裂韧度的国家标准——JIC 测试方法的国家标准; 《压力容器缺陷评定规范(CVDA-1984), 以及《在用含缺陷压力容器的安全评定(GB/T 19624-2004)》的标准与指导文件. 它们的实施取得了巨大的社会效益与几十亿元的经济效益,多次获得国家科技进步奖. 对压力容器、管道破坏,地震成因认识及大型结构的损伤与失效防范起了重要的作用;对我国的生产安全、反恐安全和国防建设起着越来越重要的作用.

21 世纪以来,随着信息时代的到来,新材料包括纳米材料、智能材料等得到广泛关注,断裂力学向着细----纳观方向拓展,下面列举比较重要的研究方面:

智能材料的断裂与损伤:出版了《力电失效学》等多本研究专著,介绍了力------热等耦合的变分原理、本构关系、椭球体基本解、断裂行为的理论分析和实验力学测量;

微纳尺度断裂力学:提出新的改进型的广变梯度理论. 在《结构完整性评价大全》第8卷中对微纳米尺度的断裂力学进行了总结,其中涵盖我国学者的工作贡献;

非均匀材料的断裂和损伤力学:含微裂纹准脆性材料的损伤力学与计算力学,功能梯度材料的断裂与裂纹扩展;

断裂力学的试验与工程应用:多轴--多功能力----磁耦合试验机的研制,界面损伤与开裂的识别方法,骨裂纹尖端压电电位分布,应用塑性极限分析与安全理论,提出体积型缺陷的安全评定方法.

2013 6 月在北京召开的第13 届国际断裂大会(The 13thInternational Conference onPracture,ICF13),汇集与检阅了当今国内外断裂的理论与应用的成果. 13 届国际断裂大会于2013 6 16~21 日在北京国家会议中心隆重召开. 此次大会是中国自1977 年加入国际断裂学会以来,首次承办该组织的最高级别会议,也是该系列会议首次在发展中国家举行. 来自世界40余个国家和地区的近千名代表参加了会议. 本次大会由国际断裂学会(In-ternationalCongress on FractureICF) 主办,中国力学学会、香港断裂组、中国机械工程学会、中国材料研究学会、中国腐蚀与防护学会、中国航空学会、中国结构完整性联盟、中国金属学会联合承办,中国科协、国家自然科学基金委员会以及中国科学院力学研究所、清华大等支持与协办. 国际断裂大会是断裂学科领域最高级别的学术会议,其内容涉及断裂学科的方方面面. 本届大会共收到投稿1216篇,到会宣讲近800. 会议为期5 天,分为15 篇大会特邀报告、54个主题论坛和15个专题研讨会,较为全面地展示了断裂学科领域的最新研究进展和成果.大会特别邀请到一批最具国际影响力的学术大师参会交流,他们是:J 积分的提出者、哈佛大学J. R.Rice教授,Paris 公式的提出人、华盛顿大学路易斯分校Paul C. Paris 教授,HRR 场的提出者之一、哈佛大学JohnW. Hutchinson 教授,美国国家自然科学基金委员会前任主席、卡内基梅隆大学SubraSuresh 教授,澳大利亚科学院和工程院院士、悉尼大学Yiu-WingMai 教授等. 中国学者杨卫院士、孙庆平教授、孙军教授也应邀作了大会特邀报告. 大会收录的一千两百多篇论文摘要, 其中就有500 多篇来自中国和国外的华裔学者,是几十年来国内学者参加断裂疲劳研究空前的交流与聚会. 也是我国断裂研究与应用的全面展示.

3 我国断裂力学发展的特征

我国断裂力学近代的发展,起始是和应用于解决工程问题紧密相连的. 20 世纪70 年代起始,结合汽轮机高、中压转子,压力容器,机车铸铁曲轴的安全评定,电站大锻件的缺陷评定,飞机零部件的损伤容限及定寿,大型氨合成塔的安全分析等工程问题,聚合了各不同学科的研究队伍开展断裂力学的应用研究,同时也提出了许多关于弹塑性断裂、复合型断裂、疲劳裂纹扩展、应力腐蚀断裂等一系列断裂理论的研究问题. 开始了断裂在我国的发展并走向世界的进程. 20世纪80年代,我国发生锅炉压力容器爆炸事故约5000 起,伤亡近万人,居劳动安全事故第2 位,其中恶性重大事故比工业化先进国家高近百倍. 但近20 多年来,因为缺陷评定规范标准的建立以及国家质量安全保障体系的形成,我国已是国际上压力容器的事故率最低的国家之一,这是值得断裂力学工作者欣慰的.

我国断裂力学的工作者早于20 世纪70 年代初,就秉承学科交流的传统,中国力学学会、机械工程学会、航空工程学会、金属材料学会联合起来,扩大合作交流,在1972 年召开全国断裂学术会议的基础上每隔2~ 3 年,便轮流主持全国断裂学术会议. 尔后材料学会、腐蚀学会加入到这一系列学术交流会议中来并与全国疲劳学术会议联合召开全国疲劳断裂学术会议. 历时40 余年,至今已召开了17 . 它起着交流学术成果、奖掖年青学人、面向国家需求、鼓励在国际断裂研究前沿创新的重要作用. 这在国际上也传为美谈,一个国家的各个不同的工程和科学的学会如此长时间学术协作交流的事例至今罕见.

断裂力学及相关学科的研究,需要多学科长年合作,并且在国内形成国家或行业的标准. 我国多个材料断裂韧性与缺陷评定的国家标准,为保证我国工程结构的安全和社会安全起到了重要的作用. 断裂力学的研究,结合我国材料发展和工程建设的实际,上升成为标准,并和标准的执行和检定的机制相结合,是一条值得强调的发展路径,也是断裂研究服务于人类安全福祉的重要落脚点.

21 世纪以来,信息-- 纳米-- 生物科技的迅猛发展提出了大量前沿的断裂力学问题. 随着改革开放和国内外学术交流更加深入,我国在微-- 纳观断裂力学、智能材料和新复合材料的断裂力学及其相关的计算模拟和断裂试验方面,有了长足的发展. 每年发表的学术论文数量渐次位列国际前沿. 现在还更应强调面向现实提出的重大理论与工程实际问题:诸如能源(油气) 中的油气压裂、页岩气开采、智能制造的传感致动机构的失效、交通运输(如高铁、航空) 中的断裂疲劳问题、保健康复中的器件失效与可靠性问题,地震与地质和自然界破裂运动中的问题等重要的研究领域,尚需进一步吸引广大的断裂力学研究者参与.

4 断裂损伤力学中的

断裂力学的研究中,充满矛盾:材料和构件在外载荷和环境作用下,其缺陷局部及构件的受力与变形,是推动裂纹起裂与扩展的推动力,可比喻为“矛”;而形成构件的材料,其具有内禀的抵抗裂纹扩展的能力,可比喻为“盾”. 这一对矛盾用断裂准则联系着,决定裂纹的起裂与裂纹的扩展,从而制约着构件与结构的安全与寿命.

在分析含裂纹缺陷物体的断裂推动力的分析方法中,有两类相互关联的研究方法:一种是分析裂纹尖端场的方法,也可称为局部场方法. 基于本征展开的裂纹尖端场分析给出线弹性体裂纹尖端的可分离的局部场和弹塑性体裂纹尖端的可分离的局部场主项, 从而揭示了裂纹起裂与扩展的控制参量:K J, 其中¸¹ 是尖端场奇异性指数. 另一种方法是基于守恒律的整体方法. 基于不变量理论和守恒律导出一系列守恒积分,如能量释放率GJ1 积分、J2 积分等且便于测量和计算的不同条件下裂纹体的守恒积分,用它们表征裂纹扩展的控制参量和材料的断裂韧度.

要确定材料的抵抗裂纹起裂与扩展的阻力的特征量--断裂韧度,人们在大量试验基础上建立起来标准的材料韧度试验方法. 由于断裂力学分析已经揭示了不同条件下裂纹体的断裂控制参量K; J 或其他相关参量,也导出了测量这些参量和试件形状几何和控制参量及测试方法,并建立了相应的标准. 这里遇到一个问题:即传统的材料强度与韧度之间的平衡与匹配的问题,即强度与韧度的优化匹配||材料和强韧化:即如何处理好材料的传统强度与断裂韧度的协调.人们在研究含裂纹缺陷物体的断裂的力学过程中,自然会追溯这些缺陷是如何形成的,它如何萌生并从微小的损伤过程逐步演化发展成为危害结构安全性的裂纹的. 这就要研究这些缺陷的萌生、长大、汇合、形成裂纹型的缺陷导致断裂的发生的过程. 它要求研究裂纹型缺陷的损伤是如何发展的,即材料与构件如何历史地由损伤的劣化发展而引起裂纹并在外在环境下导致断裂的全过程. 于是产生了损伤力学及其与断裂力学的联结与汇流. 将变形和破坏作为一个过程展开来研究. 人们已经将损伤力学与断裂力学结合起来,研究损伤介质中裂纹的萌生与传播规律,进而研究含损伤介质的裂纹扩展规律. 但是以往的损伤的演化都是趋向劣化的,也就是损伤的演化是单调增加的. 然而,自然界尤其是生物体,损伤还有愈合的另一方面,于是当人们进入生物体的损伤断裂研究时,必须考虑损伤和愈合这一对非单调增加(或减少) 的力学过程的竞争,如动物骨折与其愈合便是例证. 尤其当现代科学技术面向仿生科技时,这种损伤的演化便呈现出更复杂的图景,也开辟了自愈合工程材料与结构发展途径,并为断裂的研究拓宽了视野和研究的疆域.

在追溯损伤的断裂的破坏过程中,人们追溯其损伤与断裂的动因及其演化过程时,便一步步地深入到更细微的尺度层次和更短暂(或更久长) 的时间层次. 例如从宏观可见的裂纹缺陷追溯到微观,纳观乃至原子和更基本的构造的层次,这时牛顿力学体系和连续力学的方法论将受限制而必须考虑量子效应等一系列物理力学的更基础层次. 这时确定性的问题转向随机过程相关的统计力学与物理问题, 力学描写的框架将会发生变化. 另外,当人们转向去追寻地球物理构造及其岩石和其构造破裂运动时,其尺度需放大到巨观的尺度. 在追溯地质构造历史时,其时间尺度则更是久长. 因此,在尺度L 与时间t 的相平面内,在断裂的研究范围中,还有许多空白地带尚无研究者涉足,它是今后人们认识断裂规律的待开垦的园地.断裂与损伤的力学与众多学科的交缘,例如考虑力-- -- -- -- 光耦合的断裂,必然会进入多物理场的耦合效应,于是上述场量损伤与断裂的变量耦合,要求有相应的新变量的演化方程. 通过实验观察,要求应用热力学的基本理论,建立其相应的演化方程. 困难的是当断裂过程和化学扩散,化学反应相耦合,或者人们深入研究生物的断裂与含有生长(或凋亡) 的过程,含有负熵增的过程,其演化的规律就更有待于新的热力学基础理论的建立了.

在断裂力学的研究中,会面向一系列的矛盾:断裂-- 完整性,损伤-- 愈合,局部-- 整体,强度-- 韧度,无生命物质--生物,扩散--集中,随机--确定性,破坏-- 增强,因此,聚焦断裂推动力与阻力及其平衡,是断裂力学分析与应用研究的中心环节.

5 断裂力学的发展

行文至此,应当前瞻断裂力学的发展.

不少学者认为,从20 世纪50 年代建立的断裂理论框架和学科分支基本内容,已经比较完整了,但由上文的历史沿革和问题分析,可尝试指出以下几个重要的发展趋向:

其一,为适应现代科学技术的发展,断裂从原有断裂与工程密切结合的一些工程部门拓宽至信息材料、智能材料与结构、自然(岩石等) 和生物材料. 力学与材料科学的结合在拓宽的基础上更加深入. 生物医学、光电子、半导体等领域的产品对断裂学科的研究与发展提出了新的要求. 各种工程技术对材料和持久性与可靠性提出了新的课题,随着信息技术渗入各传统工业部门,智能化与微型化要求人们深入研究智能材料与电子材料等在多场(力、热、电、磁、光) 耦合作用下的断裂行为. 固体材料和结构的破坏问题是固体力学研究的经典难题,它跨越了从原子到宏观高达107 倍的尺度差异,研究其细、微观以至纳观尺度的断裂行为及其防断设计与断裂控制. 计算机与计算技术的发展为断裂研究提供了强大的计算平台,原子、分子尺度的断裂过程的实验观察有了新的成果. 我国的断裂研究在理论建模上见长,但在大规模计算机模拟与高精度与微细尺的断裂的实验研究方面,与国际上先进国家相比,存在相当的差距;断裂力学的研究将拓宽古典断裂力学研究的疆域,实现更大的学科交叉交缘以至融合. 如同本文开头所指出的. 断裂现象是存在于工程界、生命过程和自然界三者的客观世界的事物的运动. 随着信息科技和生物科技的发展,以及在极端的高温、高压、高速条件下,含有化学反应过程和生长(凋亡) 的生物过程的断裂破坏,含有多层次的更精微尺度的断裂过程和巨观长时间演化的自然界的断裂运动,必将在将来纳入断裂学科研究者的视野. 客观物质世界的破坏过程(及生长过程) 的力学研究不会断流,而会如同两千多年来力学研究与时俱进生生不息一样,有新的发展和认识,进军多尺度与跨尺度扩大其研究疆域.

其二,工程、生命过程、自然界本身就是巨大的系统,断裂规律作为客观世界运动规律之一的研究,必然融汇于工程系统、生命系统和自然界系统之中,成为系统链条-- 网络-- 多维结构的一个不可或缺的重要部分. 例如,材料与结构设计一体化对断裂学科提出了新的要求. 从工程应用的角度,充分推动关注系统的持久性和可靠性的研究与破坏相关现象的研究, 必需从确定系统的临界状态推进到系统的生存状态, 它要求人们研究新的破坏机制并集中注意力于维护系统的持久性. 随着大数据和信息科技的发展,这一重要的涉及安全,可持续发展的客观世界失效与破坏的规律,必然与大系统实现多维的连结,它不会消亡,不可拆解,又必须联系并占位于上述大系统的关键节点之中, 成为大系统的不可或缺的组成部分和关键节点.

其三便是随着气候变化-- 低碳世界-- 能源和安全--绿色智能制造相关的人类发展的需要,关注新能源、高效动力、大型飞机、新型空天飞行器、先进制造、高速轨道交通、海洋工程、核能设施、微电子/光电子器件等国家重大需求中的关键断裂与损伤力学问题. 对结构健康监测及其解调分析,结构灾害演化行为与健康监测, 结构损伤可能性与监测,大型结构在线检测与安全评价理论与方法, 各类新的材料体系(如低维材料、纳米材料、非晶材料) 的变形,损伤和失效的模拟研究,以揭示先进材料高性能的物理机制. 这些都要求断裂力学进一步紧密服务于国家需求与人类福祉,将断裂规律的力学研究,应用于这些新的时代需求之中,方才不负于时代赋予的伟大使命.


 

 

 

 

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