断裂力学试题

断裂力学形成和发展1.简述断裂力学的发展历程（含3-5个关键人物和主要贡献）。答：（1）断裂力学的思想是由Griffith在1920年提出的。他首先提出将强度与裂纹长度定量地联系在一起。他对玻璃平板进行了大量的实验研究工作，提出了能量理论思想。（2）断裂力学作为一门科学，是从1948年开始的。这一年Irwin发表了他的第一篇经典文章“FractureDynamic（断裂动力学）”，研究了金属的断裂问题。这篇文章标志着断裂力学的诞生。（3）关于脆性断裂理论的重大突破仍归功于Irwin。他于1957年提出了应力强度因子的概念，在此基础上形成了断裂韧性的概念，并建立起测量材料断裂韧性的实验技术。这样，作为断裂力学的最初分支——线弹性断裂力学就开始建立起来了。（4）1963年，Wells提出了裂纹张开位移（COD）的概念，并用于大范围屈服的情况。研究表明，在小范围屈服情况下COD法与LEFM是等效的。（5）1968年，Rice等人根据与路径无关的回路积分，提出了J积分的概念。J积分是一个定义明确、理论严密的应力应变参量，它的实验测定也比较简单可靠。J积分的提出，标志着弹塑性断裂力学基本框架形成。2.断裂力学的定义，研究对象和主要任务。答：（1）断裂力学的定义：断裂力学是一门工程学科，它定量地研究承载结构由于所含有的一条主裂纹发生扩展而产生失效的条件。（2）研究对象：断裂力学的研究对象是带有裂纹的承载结构。（3）主要任务：研究裂纹尖端附近应力应变分布，掌握裂纹在载荷作用下的扩展规律；了解带裂纹构件的承载能力，进而提出抗断设计的方法，保证构件安全工作。线弹性断裂力学3.什么是平面应力和平面应变状态，二者有什么特点？请举例说明之。答：（1）平面应力：薄板问题，只有xoy平面内的三个应力分量x、y、xy；0z，属三向应变状态。（2）平面应变：长坝问题，与oz轴垂直的各横截面相同，载荷垂直于z轴且沿z轴方向无变化；0z，0z，属三向应力状态；材料不易发生塑性变形，更具危险。4.什么是应力强度因子的叠加原理，并证明之。掌握工程应用的方法。答：（1）应力强度因子的叠加原理：复杂载荷下的应力强度因子等于各单个载荷的应力强度因子之和。（2）证明：在外载荷T1作用下，裂纹前端应力场为1，则相应的应力强度因子为在外载荷T2作用下，裂纹前端应力场为2，则相应的应力强度因子为如果外载荷T1和T2联合作用，则裂纹前端应力场为1+2，则相应的应力强度因子为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rr0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。弹塑性断裂力学7.COD的定义，工程应用及局限性答：（1）COD的定义:COD—裂纹张开位移(CrackOpeningDisplacement),在平均应力σ作用下,裂纹尖端发生塑性变形,出现塑性区R,在不增加裂纹长度的情况下,裂纹将沿σ方向产生张开位移,在裂纹的尖端沿垂直于裂纹方向所产生的位移。（2）工程应用:COD可以作为裂纹开始扩展的判据：随着载荷的增长，裂纹顶端的值也随之增大，当值达到某一临界值c后，裂纹即开始扩展。例如对于Ⅰ型穿透裂纹aKI，sEa24，该式用于小范围屈服条件，进行断裂(1)I1Ka(2)I2KaI1212(1)(2)II()KaaaKK()IyKYareffyaar分析和破损安全设计（3）局限性：COD不是一个直接的、严密的应力应变场参量;COD判据不能用来预测起裂后亚临界扩展和最后失稳扩展的规律性。8.J积分的定义和特性答：（1）J积分的定义：建立一个围绕裂纹尖端的围线积分,这个积分值与积分路径无关,为一常数,并认为这一数值反应了裂尖应力应变场的强度。)(dsxuTdyJii，iT为作用在微元ds上的表面力矢量。(2)J积分的特性a.守恒性:能量线积分,与路径无关。b.通用性和奇异性:积分路线可以在裂纹附近的整个弹性区域内,也可以在接近裂纹的顶端附近。c.J积分值反映了裂纹尖端区的应变能,即应力应变的集中程度。9.J积分工程估算原理答：对于实际裂纹结构，用解析解计算J积分值是相当困难的。美国EPRI经过大量研究工作，提出了一种弹塑性的估算方法。这种方法是将弹性解和全塑性解简单地相加而得到弹塑性解，其表达式为：10.K、G和J的关系如何？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型裂纹：其中，平面应力：EE；平面应变：21EE（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)：；考虑到实际材料,工程中可以对其进行修正：蠕变断裂力学11.什么是蠕变，有何要素与特征？蠕变应变随时间的变化中一般可划分成几个阶段？答：（1）在温度不变、载荷不变的条件下，试件的变形也会随着时间的增长而缓慢增大，这一现象称为蠕变现象。（2）要素：温度、应力和时间；特征：①应力恒定；②应变三阶段：增加、稳定、增加；③应变速率三阶段：减速、稳定、增速；(3)蠕变应变随时间分为3个阶段：①初始蠕变，应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；②稳态蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；③加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。21IIJKGEsJsJkpeeJaJJpeeapceecca12.在材料的弹塑性行为中，存在临界应力强度因子和临界J积分，它们是表征裂纹是否扩展的材料参数，在材料的蠕变行为中是否存在这样的临界C*？为什么？13.蠕变断裂的特点是什么？目前有哪些断裂可以表征，有何获取方法？答：特点：应力低于材料的屈服强度；长时间作用；蠕变伴随温度升高加剧；蠕变速率和材料性质、加载结构有关；蠕变机制随着温度和应力不同而不同。蠕变断裂参数，围线积分C*，获取方法：○1有限元法；○2实验法；○3半经验法；○4参考应力法。疲劳与断裂14.疲劳的定义？什么叫高周疲劳、低周疲劳？答：（1）在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。高周疲劳：材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经10000-100000以上循环次数而产生的疲劳。低周疲劳：材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，循环次数一般低于10^3～10^4的疲劳。15.疲劳裂纹的萌生机制？答：因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区或高应力区，通过不均匀滑移和显微开裂引起，主要方式有：表面滑移带开裂；第二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界处开裂。16.长裂纹与短裂纹扩展的区别与联系？答：1.短裂纹的扩展受到微观组织的影响很大；2.短裂纹的扩展速率会高于长裂纹的扩展速率；3.短裂纹的扩展能在低于长裂纹疲劳门槛值时扩展。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；答：单调拉伸和单调压缩：曲线关于原点O对称，屈服极限以内是直线。循环应力应变曲线：外载处于材料的弹性范围内，不产生塑性；外载超过材料的比例极限时，形成迟滞回线；当材料的7.0/bs时，属循环硬化材料，当8.0/bs时，属循环软化材料；在常幅应力控制下，应变不断提升的现象叫做循环蠕变；在常幅应变控制下，应力不断下滑的现象叫做循环松弛。稳态循环应力应变曲线是由在应变比1/maxminR下的应变控制疲劳试验并将不同应变水平下的稳态滞后环的尖点连接起来得到。20.抗疲劳设计方法有哪几种？答：（1）无限寿命设计：设计思想：确保应力或应变基本处于弹性状态，并且低于相应的疲劳极限，即假设零件无初始裂纹，也不发生疲劳破坏，寿命是无限的。（2）有限寿命设计方法（也叫“安全寿命”方法）：设计思想：采用超过疲劳极限的工作应力，以适应一些更新周期短或一次消耗性的产品达到零件重量轻的目的，也适用于宁愿以定期更换零件的办法让某些零件设计得寿命较短而重量较轻。（3）失效-安全设计方法：失效-安全设计要求如果一个零件失效，整个系统并不失效。这种方法承认会出现疲劳裂纹，但可以通过重新分布结构型式以抑制裂纹在被检测和修复前引起结果破坏。（4）损伤容限设计方法：规定剩余寿命应大于两个检修周期，以保证在发生疲劳破坏之前，至少有两次发现裂纹扩展到危险程度的机会。（5）基于可靠性的设计方法：设计思想：疲劳强度可靠性设计是在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证疲劳破坏不发生的概率在给定值（可靠度）以上的设计，使零部件的重量减轻到恰到好处。:（6）超长寿命的设计（有待形成具体的设计路线）21.试述主要的疲劳损伤累积理论；答：损伤(Damage)是材料和工程构件中细微“结构”的变化，引起微裂纹的萌生、成长与合并，导致材料的变质和恶化。损伤积累的结果往往产生宏观裂纹，导致最终断裂。裂纹萌生于塑性应变集中区且往往在自由表面；裂纹尖端塑性区决定疲劳损伤；疲劳损伤理论以以疲劳损伤D的定义为基石，以疲劳损伤的演化dD/dn为基础：（1）线性疲劳累积损伤理论（Palmgren-Miner理论）：一个循环ND/1，N个循环niiND11，临界损伤1CRD，不考虑载荷次序影响；（2）非线性疲劳累积损伤理论（Carten-Dolan理论）：一个循环dcrmD，N个循环dicipiirmnD1，临界损伤dcCRrmND111；（3）概率疲劳累积损伤理论（建立在疲劳累积损伤的随机性基础上）：一个循环1D，N个循环niiDnD1)(，临界损伤CRD是一个随机变量，均值为1。22..疲劳裂纹扩展规律与Paris公式，实验中如何获得裂纹扩展速率？答：（1）裂纹扩展速率dNda，即交变载荷每循环一次所对应的裂纹扩展量，在疲劳裂纹扩展过程中，dNda不断变化，每一瞬时的dNda即为裂纹长度a随交变载荷循环数N变化的Na曲线在该点的斜率。1963年Paris首先把断裂力学引入了疲劳裂纹的扩展，并认为扩展速率受控于裂纹尖端的应力强度因子幅度ΔK，ΔK=Kmax-Kmin、mKcdNda)(，c、m均为与材料有关的常数。（2）试验中由Na,数据得到裂纹扩展速率dNda。环境断裂23.应力腐蚀开裂的特点有哪些？答：1.典型的滞后破坏2.裂纹分为沿晶型、穿晶型和混合型3.裂纹扩展速度比均匀腐蚀快约106倍4.低应力的脆性断裂，无明显的塑性变形24.影响应力腐蚀开裂的因素有哪些？答:材料成分，热处理，显微结构，服役介质，服役温度，服役载荷，流速。25.简单叙述应力腐蚀开裂的机理。答：○1阳极溶解：在发生SCC的环境中，金属表面通常被钝化膜覆盖，金属不与腐蚀介质直