时,材料断裂。将(2—1)和(2—2)代入此式,并考虑到
E a
2 b0
a
>>1,可得
因为这个式子就是破坏时得到的,因此,由这个式子得到的σ就是裂尖处首先达到破坏时该板两端对应的临界拉应力,记为 c,就是说
c
E
(2—3) 4ab0
σc的物理意义是,当该板两端承受的均匀单向拉应力σ达到由(2—3)式表示的σc时,裂纹尖端处首先发生破坏。
分析一下(2—3)式的合理性。 按照(2—3),当裂纹为理想尖裂纹时, 0 c 0,这就是说,固体材料一旦有了理想尖裂纹,其临界拉应力就等于零,此时板两端只要有拉应力作用,就一定有 c,材料就一定会发生破坏,换句话说,就是固体材料一旦有了理想尖裂纹,它就不再具有强度了,一受力就会破坏,这个结论显然与事实不符。这种矛盾是由弹性理论的局限性造成的。弹性理论把材料看成是无间隔的连续介质( min 0),而连续介质力学则把材料看成是由无数原子或分子组成的,各原子或分子之间都有一定的间隔,因此裂纹的曲率半径最小也就是等于原子间距b0,不可能等于零( min b0)。因此当固体材料中的裂纹为尖裂纹时,(2—3)式中的ρ应取b0,由此得
E
(2—4) 4a
也就是说,当ρ>b0时,板两端对应的临界拉应力由(2—3)式确定;当ρ<b0时,板两端对应的临界拉应力由(2—4)式确定。
比较一下有裂纹和无裂纹时临界应力相差多大。
无裂纹时,各点应力均匀分布,因此外界作用的拉应力增大时,各点的拉应力始终相等,当各点的拉应力同时都增大到 t时,各点同时发生破坏。因此无裂纹时,临界应力σt由(2—2)式得
c
到;而有裂纹时临界应力σc由(2—4)式得到。如果取宏观裂纹的尺寸为2a 5000b0,则两者之比为
E cb01
4a
E t4a100b0
b0的量级为10 10m,因此2a=5000b0 5 10 7m。而2a则表示裂纹的长度,这就是说,只要薄板
上有一个长为10 7~10 6m的理想尖裂纹,其临界应力就会降低100倍。
由此可见:裂纹将会引起强烈的应力集中,从而使材料的临界应力远远低于其理论断裂强度。 由(2—4)式还可以看出,当σ达到 c时,裂尖处发生破坏,从而使裂纹进一步扩展,裂纹长度随之增大,而a的增大又使 c进一步降低,从而使裂纹进一步扩展,最终导致整个构件断裂。因此(2—4)式是裂纹失稳扩展的条件,称为断裂判据。
各种不同的断裂判据构成了不同的断裂理论。
§2.2 断裂理论
各种不同的断裂理论都有不同的断裂判据,适用于不同的材料和工况。断裂理论主要有两大类,