【正文】 1. 斷裂與損傷力學的發(fā)展過程以及要解決的問題。2. 材料疲勞損傷機理以及斷裂力學基本分析方法。3. 新材料復合材料的損傷以及斷裂破壞基礎理論。 斷裂與損傷力學的發(fā)展過程以及要解決的問題 斷裂力學的發(fā)展簡史及要解決的問題斷裂力學理論最早是在1920年提出。當時Griffith為了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的實際強度比理論強度低的原因，提出了在固體材料中或在材料的運行過程中存在或產(chǎn)生裂紋的設想，其內容是：結構體系內裂紋擴展，體系內總能量降低，降低的能量用于裂紋增加新自由表面的表面能，裂紋擴展的臨界條件是裂紋擴展力(即應變能釋放率)等于擴展阻力(裂紋擴展，要增加自由表面能而引起的阻力)。很好地解釋了玻璃的低應力脆斷現(xiàn)象。計算了當裂紋存在時，板狀構件中應變能的變化進而得出了一個十分重要的結果：常數(shù)。其中，是裂紋擴展的臨界應力；a為裂紋半長度。他成功的解釋了玻璃等脆性材料的開裂現(xiàn)象但是應用于金屬材料時卻并不成功。1944年澤納(Zener)和霍洛蒙(Hollmon)又首先把Griffith理論用于金屬材料的脆性斷裂。不久歐文(Irwin)指出，Griffith的能量平衡應該是體系內儲存的應變能與表面能、塑性變形所做的功之間的能量平衡，并且還指出，對于延性大的材料，表面能與塑性功相比一般是很小的。同時把G定義為“能量釋放率”或“裂紋驅動力”，即裂紋擴展過程中增加單位長度時系統(tǒng)所提供的能量，或裂紋擴展單位面積系統(tǒng)能量的下降率。1949年Orowam E在分析了金屬構件的斷裂現(xiàn)象后對Griffith的公式提出了修正，他認為產(chǎn)生裂紋所釋放的應變能不僅能轉化為表面能，也應轉化為裂紋前沿的塑性應變功，而且由于塑性應變功比表面能大得多以至于可以不考慮表面能的影響，其提出的公式為常數(shù)該公式雖然有所進步，但仍未超出經(jīng)典的Griffith公式范圍，而且同表面能一樣，應變功U是難以測量的，因而該公式仍難以應用在工程中。20世紀50年代，Irwin又提出表征外力作用下，彈性物體裂紋尖端附近應力強度的一個參量一應力強度因子，建立以應力強度因子為參量的裂紋擴展準則一應力強度因子準則(亦稱K準則)。其內容為：裂紋擴展的臨界條件為K1＝K1c，其中K1為應力強度因子，可由彈性力學方法求得，K1c為材料的臨界應力強度因子或平面應變斷裂韌度，可由試驗測定。Irwin的另一貢獻是，他還指出，能量方法相當于應力強度方法。1963年韋爾斯(Wells)發(fā)表有關裂紋張開位移(COD)的著名著作，提出以裂紋張開位移作為斷裂參量判別裂紋失穩(wěn)擴展的一個近似工程方法。其內容是：不管含裂紋體的形狀、尺寸、受力大小和方式如何，當裂紋張開位移δ達到臨界值時，裂紋開始擴展。是表征材料性能的常數(shù)，由試驗得到。對于韌性材料，短裂紋平面應力斷裂問題，特別是裂紋體內出現(xiàn)大范圍屈服和全面屈服情況可采用此法。1968年賴斯(Rice)提出圍繞含裂紋體裂紋尖端的一個與路徑無關的回路積分，定義為二維含裂紋體的J積分。J積分可用來描述裂紋尖端附近在非線性彈性情況下的應力應變場，建立Jl＝J1c的斷裂準則。J1c為表征材料斷裂韌性的臨界J積分值，可由試驗確定。由于研究的觀點和出發(fā)點不同，斷裂力學分為微觀斷裂力學和宏觀斷裂力學。微觀斷裂力學是研究原子位錯等晶體尺度內的斷裂過程，宏觀斷裂力學是在不涉及材料內部斷裂機理的條件下，通過連續(xù)介質力學分析和試樣的實驗作出斷裂強度的估算與控制。宏觀斷裂力學通常又分為線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學。線彈性斷裂力學是應用線性彈性理論研究物體裂紋擴展規(guī)律和斷裂準則。線彈性斷裂力學可用來解決材料的平面應變斷裂問題，適用于大型構件(如發(fā)電機轉子，較大的接頭，車軸等)和脆性材料的斷裂分析。線彈性斷裂力學還主要用于宇航工業(yè)，因為在宇航工業(yè)里減輕重量是非常重要的，所以必須采用高強度低韌性的金屬材料。實際上對金屬材料裂紋尖端附近總存在著塑性區(qū)，若塑性區(qū)很小(如遠小于裂紋長度)，經(jīng)過適當?shù)男拚瑒t仍可以采用線彈性斷裂力學進行斷裂分析。目前，線彈性斷裂力學已發(fā)展的比較成熟，但也還存在一些問題(如表面裂紋分析，復合型斷裂準則，裂紋動力擴展等)有待進一步研究。彈塑性斷裂力學是應用彈性力學、塑性力學研究物體裂紋擴展規(guī)律和斷裂準則，適用于裂紋尖端附近有較大范圍塑性區(qū)的情況。由于直接求裂紋尖端附近塑性區(qū)斷裂問題的解析解十分困難，目前多采用J積分法，COD法，R曲線法等近似或實驗方法進行分析。通常對薄板平面應力斷裂問題的研究，也要采用彈塑性斷裂力學。彈塑性斷裂力學在焊接結構缺陷的評定，核電工程的安全性評定，壓力容器、管道和飛行器的斷裂控制以及結構物的低周疲勞和蠕變斷裂的研究方面起重要作用。彈塑性斷裂力學雖取得一定進展，但其理論迄今仍不成熟，彈塑性裂紋體的擴展規(guī)律還有待進一步研究。目前主要的研究內容有：裂紋的起裂條件。裂紋在外部載荷和(或)其他因素作用下的擴展過程。裂紋擴展到什么程度物體會發(fā)生斷裂。另外，為了工程方面的需要，還研究含裂紋的結構在什么條件下破壞。在一定荷載下，可允許結構含有多大裂紋。在結構裂紋和結構工作條件一定的情況下，結構還有多長的壽命等。斷裂力學的研究內容中還有一些特殊問題，如，①三維斷裂力學問題:目前斷裂力學中已取得的成果多限于二維(或平面)問題，而三維問題比較復雜，但卻吸引了學者們的興趣。②應力腐蝕問題:指在環(huán)境介質(腐蝕介質和某些非腐蝕介質〉和拉應力共同作用下材料的斷裂問題，③疲勞裂紋擴展問題:疲勞是在交變載荷作用下材料中裂紋形成和擴展的過程，斷裂力學主要用于研究疲勞裂紋的擴展問題。④非金屬材料的斷裂問題。⑤其他工程應用問題。斷裂力學要解決的問題(1)建立剩余強度與裂紋尺寸間的函數(shù)關系剩余強度——有裂紋存在的構件強度。初始強度——按材料極限應力確定的構件強度。(2)在什么條件下裂紋會發(fā)生失穩(wěn)擴展，如何確定相應于這種擴展的臨界載荷或臨界裂紋尺寸；(3)在結構工作壽命開始時，允許存在多大的原始缺陷(以此建立起可靠、合理的探傷標準)(4)確定檢修期(每隔多長時間，應對結構進行一次裂紋檢查)(5)在什么條件下裂紋的失穩(wěn)擴展能被止住。(止裂條件) 損傷力學的發(fā)展簡史及要解決的問題損傷力學是近二十年才開始形成和發(fā)展的一門新的固體力學分支，它是將固體物理學、材料強度理論和連續(xù)介質力學統(tǒng)一起來進行研究的理論，彌補了微觀研究和斷裂力學研究的不足，越來越多地應用于航天航空、高溫高壓熱力設備壽命評估和混凝土、復合材料、高分子材料質量評估計算，是一門有著無限廣闊用途的新學科。1958年，卡欽諾夫(Kachanov)在研究金屬的蠕變破壞時，為了反映材料內部的損傷，第一次提出了“連續(xù)性因子”和“有效應力”的概念。后來，拉博諾夫(Rabotnov)又引入了“損傷因子”的概念。他們?yōu)閾p傷力學的建立和發(fā)展做了開創(chuàng)性的工作。但在很長的一段時間內，這些概念和方法除了應用于蠕變問題的研究外，并未引起人們的廣泛重視。7