第一章线弹性断裂力学基础 1.1引言 断裂力学是近半个世纪以来发展起来的一门新学科。它主要研究带裂纹固体的强度 和裂纹传播的规律。对于不同条件下的不同材料，人们往往根据自己的目的，将材料抽 象为某种“理想物质”以反映某些最重要的特性。在研究断裂问题时，将材料抽象为理 想线弹性体就是线弹性断裂力学。如果再考虑裂纹尖端塑性区就有弹塑性断裂力学。不 少情况下，温度的影响和“时间效应”都不能忽略。从流变学观点出发考虑到材料的流 变性能就有流变断裂学，它还可以细分为粘弹性断裂力学，粘弹塑性断裂力学，热粘弹 性断裂力学，热粘弹塑性断裂力学等。目前只有线弹性断裂力学发展比较成熟，并已制 定出规范（例如美国机械工程师协会ASEM,锅炉与压力容器规范等）。编成手册应用 于生产上。 断裂力学涉及内容很广，这里只介绍一些基础性的内容。中国有句古话：“吃一堑， 长一智”。吃一次亏，出来一门新学科。断裂力学可以说是人类吃了大亏，从总结惨痛 血的教训中产生的。生产推动了科学发展，科学反过来又促进生产以更高的速度向前发 展。在这个过程中，旧的问题不断解决，新的矛盾又不断产生。最初，人们为了提高材 料的强度防止脆断，制成了钢材等塑性材料。进一步提高塑性材料的强度是通过阻止屈 服（阻止位错运动）来实现的。再进一步提高强度就出现了新的矛盾，强度高了，韧度 却低了，构件常在应力不高，甚至低于屈服极限的情况下发生突然的脆性破坏。如焊接 铁桥的突然倒塌，焊接轮船的脆性破坏，各种球罐的突然爆炸等等，均不能用传统的建 立在连续性假设基础上的强度科学（如材料力学）来解释。随着生产的发展，大量采用 新材料（高强度钢、复合材料、塑料）新工艺，新的工作条件（高温、高速、高压、低 温)等，致使古典强度科学无法适应新的生产水平的需要。对低应力脆断事故进行大量 分析研究表明脆性断裂是由于宏观缺陷或裂纹的失稳扩展引起的。有时，在裂缝的平衡 状态达到失稳的临界状态以前还会出现缓慢的准静态亚临界扩展，最后达到临界状态使 裂纹高速传播引起最终断裂。这样，强度科学不仅要通过阻止屈服以达到高强度，而且 要通过阻止裂纹的扩展来达到高的断裂韧度。 断裂力学这门新的强度科学，扬弃了传统强度理论关于材料不存在缺陷的假设，承 认缺陷或裂纹存在，把构件看成连续和间断的统一体，认为裂纹的存在是不可避免的。 材料在生产过程中（冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理），使用过程中（装配、摩擦损 伤、腐蚀、疲劳、中子照射、氢渗入)都会使材料产生裂纹，裂纹尖端附近的局部强度 已上升为主要矛盾。这些在传统连续介质力学中是作为次要因素被抹杀了的。 断裂力学是固体力学中研究带裂纹材料强度的学科。它着眼于裂纹尖端局部地区的1 第一章 线弹性断裂力学基础 1.1 引 言 断裂力学是近半个世纪以来发展起来的一门新学科。它主要研究带裂纹固体的强度 和裂纹传播的规律。对于不同条件下的不同材料，人们往往根据自己的目的，将材料抽 象为某种“理想物质”以反映某些最重要的特性。在研究断裂问题时，将材料抽象为理 想线弹性体就是线弹性断裂力学。如果再考虑裂纹尖端塑性区就有弹塑性断裂力学。不 少情况下，温度的影响和“时间效应”都不能忽略。从流变学观点出发考虑到材料的流 变性能就有流变断裂学，它还可以细分为粘弹性断裂力学，粘弹塑性断裂力学，热粘弹 性断裂力学，热粘弹塑性断裂力学等。目前只有线弹性断裂力学发展比较成熟，并已制 定出规范（例如美国机械工程师协会 ASEM，锅炉与压力容器规范等）。编成手册应用 于生产上。 断裂力学涉及内容很广，这里只介绍一些基础性的内容。中国有句古话：“吃一堑， 长一智”。吃一次亏，出来一门新学科。断裂力学可以说是人类吃了大亏，从总结惨痛 血的教训中产生的。生产推动了科学发展，科学反过来又促进生产以更高的速度向前发 展。在这个过程中，旧的问题不断解决，新的矛盾又不断产生。最初，人们为了提高材 料的强度防止脆断，制成了钢材等塑性材料。进一步提高塑性材料的强度是通过阻止屈 服（阻止位错运动）来实现的。再进一步提高强度就出现了新的矛盾，强度高了，韧度 却低了，构件常在应力不高，甚至低于屈服极限的情况下发生突然的脆性破坏。如焊接 铁桥的突然倒塌，焊接轮船的脆性破坏，各种球罐的突然爆炸等等，均不能用传统的建 立在连续性假设基础上的强度科学（如材料力学）来解释。随着生产的发展，大量采用 新材料（高强度钢、复合材料、塑料）新工艺，新的工作条件（高温、高速、高压、低 温）等，致使古典强度科学无法适应新的生产水平的需要。对低应力脆断事故进行大量 分析研究表明脆性断裂是由于宏观缺陷或裂纹的失稳扩展引起的。有时，在裂缝的平衡 状态达到失稳的临界状态以前还会出现缓慢的准静态亚临界扩展，最后达到临界状态使 裂纹高速传播引起最终断裂。这样，强度科学不仅要通过阻止屈服以达到高强度，而且 要通过阻止裂纹的扩展来达到高的断裂韧度。 断裂力学这门新的强度科学，扬弃了传统强度理论关于材料不存在缺陷的假设，承 认缺陷或裂纹存在，把构件看成连续和间断的统一体，认为裂纹的存在是不可避免的。 材料在生产过程中（冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理），使用过程中（装配、摩擦损 伤、腐蚀、疲劳、中子照射、氢渗入）都会使材料产生裂纹，裂纹尖端附近的局部强度 已上升为主要矛盾。这些在传统连续介质力学中是作为次要因素被抹杀了的。 断裂力学是固体力学中研究带裂纹材料强度的学科。它着眼于裂纹尖端局部地区的