断裂力学第二章-Griffith断裂理论.pptx

Griffith断裂理论Griffith于1921年提出了断裂力学的基础理论。通过分析裂纹尖端应力场,Griffith建立了阐述断裂起始的能量平衡准则,从而揭示了微小裂纹如何演化为宏观断裂。作者：

引言材料力学的基础学科断裂力学作为材料力学的一个重要分支,研究材料中裂纹的形成和传播,是理解材料失效机理的关键。材料中存在的缺陷在生产和使用过程中,材料难免会出现各种类型的缺陷和裂纹,这些都会影响材料的性能和使用寿命。研究裂纹行为的重要性深入理解裂纹的形成、扩展和断裂过程,有助于预测材料的力学行为,并优化材料的设计与使用。

固体内部存在缺陷在工程实践中,我们常常会遇到固体材料内部存在各种缺陷的情况。这些缺陷可能是在制造过程中引入的,也可能是由于长期使用导致的。这些缺陷会影响材料的强度和稳定性,了解其性质和特点对于材料选型和工艺设计非常重要。

裂纹的概念与分类裂纹的定义裂纹是固体内部由于外力作用而产生的连续性破坏,即材料中出现的细长不连续面。裂纹的类型根据裂纹的形状和产生机理,可将裂纹分为拉伸裂纹、剪切裂纹和疲劳裂纹等。裂纹的特点裂纹会导致应力集中,易引发断裂破坏,因此对材料性能和安全性有重要影响。

应力和应变场在断裂力学中,我们需要了解材料内部应力和应变的分布情况。裂纹尖端附近会产生应力集中,这是导致材料断裂的重要因素。通过分析应力和应变场,我们可以确定临界条件下材料会发生断裂的位置和时机。应力和应变场的分析涉及到材料力学、线弹性理论等基础知识。这部分内容为后续的Griffith断裂理论奠定了基础,是理解断裂机理的关键一步。

材料的热力学第一定律能量守恒热力学第一定律描述了能量的变化和转换,即能量既不能被创造也不能被消失,只能在不同形式间转变。热量和功的关系在一个封闭系统中,热量与功的总和等于内能的变化量。热力学系统热力学第一定律适用于各种热力学系统,无论是开放系统还是封闭系统。

材料的热力学第二定律1熵的增加热力学第二定律描述了自发过程中熵的增加。任何自发过程都会导致系统整体熵的增大。2可逆性与不可逆性可逆过程不会产生任何熵的增加,而不可逆过程会导致系统熵的增大。3热机效率的限制热力学第二定律还限制了热机的最高热效率,这是卡诺循环所揭示的。4熵增长与时间熵的增加体现了时间的不可逆性,自然界中的大多数过程是不可逆的。

Griffith能量平衡条件1内部能量材料内部存在应力能量2表面能量产生新的自由表面需要克服表面张力3能量平衡内部应力能量与表面张力能量达到平衡根据材料热力学定律,在断裂过程中材料内部应力能量的减少必须等于新生表面的表面张力能量。Griffith提出了能量平衡的断裂理论,建立了内部应力能量与表面能量之间的平衡条件。

Griffith提出模型的论点应力集中是断裂的主因Griffith认为,固体内部的微小缺陷会造成局部应力集中,从而导致断裂的发生。这与以往认为断裂仅由达到理论强度的宏观应力引起的观点不同。能量平衡是决定断裂的关键Griffith提出了一个能量平衡条件,即当外界施加的功大于或等于新产生的自由表面能时,断裂就会发生。这种能量分析方法为理解和预测断裂行为提供了新思路。

模型的基本假设理想化裂纹Griffith假设裂纹是理想化的集中应力集中点,具有无限小的尖端半径。能量平衡当裂纹增长时,系统能量增加量需等于裂纹表面新生成的表面能。弹性变形材料仅发生弹性变形,不考虑塑性变形对断裂行为的影响。

临界应力的推导过程1应力场分析分析裂纹尖端的应力场分布,了解应力的分布规律。2能量平衡条件根据Griffith提出的能量平衡条件,建立裂纹扩展的能量分析。3推导临界应力通过数学推导,得出临界应力发生裂纹扩展的条件。

临界应力表达式的意义理解断裂强度Griffith临界应力公式表明,材料的临界断裂应力取决于材料的表面能和内部缺陷大小。这反映了材料抗断裂的固有强度。评估安全性根据Griffith公式,可以计算出在给定缺陷条件下材料的临界断裂应力。这为工程设计提供了评估安全性的依据。优化设计Griffith理论指出,通过降低材料内部缺陷尺度或提高表面能,可以有效提高材料的临界断裂应力。这为材料优化设计提供了理论指导。指导实验Griffith临界应力公式为实验研究提供了参考依据,有助于探究材料的本征断裂特性。

应力集中因子的概念1应力集中当固体表面或内部存在不连续点时,如缺口、孔洞或细长裂纹,会导致应力在该处显著集中,即出现应力集中现象。2应力集中因子应力集中因子用来描述实际最大应力与名义应力之比,它表示了应力集中的程度。3应力集中因子计算应力集中因子可通过理论分析或有限元数值模拟等方法进行计算,不同几何形状和边界条件下的应力集中因子存在差异。4应用意义应力集中因子的准确估计对于断裂力学分析和工程设计尤为重要,可用于预测材料的抗断裂能力