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第一部分：断裂力学入门
结构中的断裂和疲劳问题概述
1.1 历史背景
尽管由于脆性断裂而失效的结构的总数很低，但脆性断裂已经发生并且确实发生在结构中。以下有限的历史回顾说明了脆性断裂可能发生在所有类型的工程结构，如罐、压力容器、船舶、桥梁、飞机和建筑物的事实。
脆性断裂是一种通常在没有预先塑性变形和极高速度（在钢材中高达7000英尺/秒）的情况下发生的结构材料的失效。断裂通常的特征在于具有很少或没有剪切唇的平坦裂开断裂表面，如图1.1所示，并且应力水平低于一般屈服的平均应力水平。脆性裂纹不像疲劳、屈服或屈曲失效那样常见，但是当它们发生时，它们在人的生命和/或财产损失方面可能代价更高。
图1.1 典型脆性断裂面照片
从19世纪末期开始，Shank和Parker已经审查了许多结构性失效，当时英国钢铁学会的成员报告了钢铁以一种易碎的方式产生神秘的裂纹。1886年，美国长岛市格雷夫森德一座250英尺高的竖管，在进行静水验收测试期间发生脆性断裂破坏。在这同一时期，据报道铆接结构如煤气柜、水箱和油箱等，这些结构中所用的材料能够满足所有现有的拉伸和延展性要求，但也会发生脆性断裂破坏。
非常著名的罐体破坏事件之一是发生在1919年1月的波士顿糖蜜罐破坏事件，当时它正装有2300,000加仑蜜糖。事件造成12人溺死在蜜糖里或受伤死亡，另有40人受伤，还有数匹马溺亡。许多房屋被破坏，波士顿的一部分高架铁路也被击倒。随后发生了广泛的诉讼，很多知名的工程师和科学家被叫去作证。经过多年的见证，法院指定的审计员下发了罐体是由于过应力而导致破坏的定案。审计员在他的定案中指出了冲突的技术证词，“在这个有争议的科学水域的漩涡中，审计师有时觉得，他可以安全地抓住的唯一的岩石是显而易见的事实，即至少有一半的科学家是错误的......”他的发言很好地总结了工程师对脆性断裂现象的了解。有时，似乎他的发言在今天看来仍然是对的。
在第二次世界大战之前，欧洲几个焊接的空腹桁架桥在被投入使用后不久便断裂失效。所有桥梁在轻负荷、低温下突然断裂，并且裂缝是脆性的。通过调查的结果表明，大多数故障是在焊缝处发生的，并且许多焊缝有缺陷（存在不连续）。Charpy V型缺口冲击试验结果表明，大多数钢在使用温度下是脆性的。
尽管有这些和其他脆性破坏，但直到第二次世界大战时大量的战舰故障，脆性断裂问题才得到工程专业的充分肯定。在世界大战期间建造的大约5000艘商船中，超过1000艘在1946年之前发展了相当规模的裂缝。1942年和1952年之间，超过200艘船舶发生了严重的裂缝，至少有9艘T-2油轮和7艘自由轮由于脆性断裂而完全断裂。自由轮的大多数裂缝是在方形舱口角处开始的，或者是在舷外列板顶部的方形切口处。设计变化涉及修边角的圆角和加强，去除剪切列板中的方形切口，以及在各种位置添加铆接的裂纹防止器，直接降低了失效的发生率。
T-2油轮中的大多数裂缝起源于位于底壳对接焊缝中的缺陷，使用防爆器和工作质量的提高降低了这些容器中的失效发生率。研究表明，除了设计缺陷外，钢的质量也是造成焊接船体脆性断裂的主要因素。
因此，1947年，美国船级社对钢的化学成分进行了限制，并且在1949年劳埃德登记册指出“当船舶的主要结构打算全部或部分焊接时，委员会可要求具有一级结构重要性的部件为钢，其性能和制造工艺已经特别批准用于此目的”。
尽管改进设计，增加使用防爆器，提高工作质量，以及在20世纪40年代后期对船舶钢的化学成分进行了限制，在20世纪50年代初船舶仍然发生了脆性断裂。在1951年和1953年之间，两个相对较新的全焊接货船和一个横向框架焊接油轮断为两截。1954年的冬天，使用最新的良好设计和焊接质量的概念改进的钢质量构造的纵向框架焊接罐车断为两截。
自1950年代后期（虽然实际数量很低），脆性断裂还在船舶上发生着。由Boyd描述了1960年到1965年之间的十次这样的故障，以及自1965年以来的许多未公开的关于焊接船中的脆性断裂的报告。
1972年发生的584英尺长油驳船I.O.S.3301的脆性断裂事件，服役一年的船在平静的海港中时突然几乎完全断成了两半（图1.2），表明这种类型的失效仍然是一个问题。在这种特定的故障中，该材料具有通过一种测试方法（Charpy V型缺口）测量的非常好的缺口韧性和通过另一种更严格的测试方法（动态撕裂）测量的边缘韧性。然而，失效的主要原因被确定为在高度约束的焊接细节处由不正确的抛光引起的异常高的加载应力。
图1.2 驳船I.O.S. 3301断裂照片
在20世纪50年代中期，两架哈维兰彗星型飞机在高海拔地区发生灾难性故障详尽的调查表明，故障源于机身窗口附近非常小的疲劳裂纹。飞机起落架和火箭发动机的其他故障 发生于未检测到的缺陷或通过疲劳或应力腐蚀的亚临界裂纹生长。F-111飞机的故障归因于具有预先存在的缺陷的构件的脆性断裂。还是在20世纪50年代，一些蒸汽涡轮机和发电机转子发生了故障，导致该设备的制造商和用户广泛的脆性断裂研究。
1962年，澳大利亚墨尔本的国王大桥在40°F的温度下由于脆性断裂而失效，不良的细节和装配导致裂纹在任何使用负载之前几乎通过法兰。虽然对这座桥和其他桥先前脆性断裂失效进行了广泛的研究，但直到波因特普莱森特桥在西弗吉尼亚州波因特普莱森特失效，桥梁建造行业才特别注意桥梁脆性断裂的可能性。1967年12月15日，这座桥毫无预兆地坍塌，造成46人死亡。与波因特普莱森特桥在崩溃之前相似的眼杆式悬索桥和崩溃后的波因特普莱森特桥的照片分别如图1.3和1.4所示。国家运输安全委员会（NTSB）对该坍塌进行了广泛的调查，其结论是“桥塌陷的原因是眼杆330眼的下肢劈裂断裂。”因为这次失效在几个方面是独特的，所以对这次失效进行了很多次调查。
图1.3 与波因特普莱森特桥相似的圣玛丽桥照片
图1.4 坍塌后的波因特普莱森特桥照片
Bennett和Mindlint对波因特普莱森特桥断裂进行的冶金调查使得断裂力学广泛使用，他们得出结论：
1. 眼杆330眼的下肢中的断裂是由在正常工作应力下的裂缝生长到断裂的临界尺寸引起的。
2. 初始裂缝是由于眼洞表面的应力腐蚀开裂，有证据表明，硫化氢试剂是应力腐蚀开裂的原由。最终报告表明，初始裂缝是由于疲劳、应力腐蚀开裂和/或腐蚀疲劳。
3. 眼杆的组成和热处理使它成为在失效温度下具有非常低的断裂韧性的钢。
4. 断裂是由于各种因素的综合作用，缺少这些因素中的任何一个，它可能都不会发生：（a）钢的高硬度使其易于受到应力腐蚀开裂；（b）接头中的部件间隔紧密，使涂料不可能涂到眼的最高应力区域，而在这些区域会产生积水和裂缝；（c）眼杆链的高设计载荷导致眼内部的局部应力大于钢的屈服强度；（d）钢的低断裂韧性，允许当其裂缝达到仅0.12英寸（3.0毫米）的深度时，从缓慢蔓延的应力腐蚀开裂开始完全断裂（图1.5）。
图1.5 照片显示了波因特普莱森特桥失效的起点
从波因特普莱森特桥失效时起，由于制造方法、设计细节或材料性能不能令人满意，在钢桥和其他类型的结构中也发生了其他脆性断裂。渔民已经在案例研究的文本中描述了许多断裂案例。
这些和其他脆性断裂使得人们越来越关注钢桥脆性断裂的可能性，并且使美国国家公路和运输官员协会（AASHTO）对桥梁钢采用了材料韧性要求。其他行业也已经为北极建筑、海上钻井平台和更具体的应用如航天飞机开发了断裂控制计划。
断裂力学已经表明，由于材料、设计、制造和载荷之间的相互关系，仅仅通过使用具有改善切口的韧性材料不能消除结构中的脆性断裂。设计师仍然要对他的结构的整体安全性和可靠性负有基本责任。本书的目的是描述结构材料的断裂、疲劳和应力腐蚀特性，并展示如何在设计中使用断裂力学来防止工程结构的脆性断裂和疲劳失效。
此外，随着现有结构达到其设计寿命，延长这些结构的寿命存在相当大的压力。断裂力学可用于在合理的技术基础上建立这些结构的适用性或寿命延长。
正如将在本教科书中所描述的，断裂力学的科学可以用于定量地描述应力、材料断裂韧性和缺陷尺寸之间的折衷，使得设计者可以在设计过程中确定每个方面的相对重要性。然而如第5部分所述，断裂力学也可以用于结构适用性或延长寿命的评估。
1.2 延性与脆性特性
脆性断裂发生时很少或没有伸长或面积减小，并且具有非常小的能量吸收。脆性断裂是一种通常在没有预先塑性变形和极高速度【在钢材中快达2000米/秒（7000英尺/秒）】的情况下发生的失效。
延性和脆性破坏类型的应力应变特性的示意图如图1.6所示。大多数结构材料在达到拉伸或极限强度sigma;tens之前表现出相当大的应变（变形）（图1.6a）。相比之下，脆性材料在失效前几乎没有变形（图1.6b）。然而，在低温、快速加载和/或高约束（例如，当主应力sigma;1，sigma;2和sigma;3基本上相等）的条件下，即使延性材料在断裂之前也不会表现出任何变形。在这些情况下，通常延性材料的应力-应变曲线类似于图1.6b所示。显然，由于在失效之前发生的能量吸收和变形，延性特性比脆性特性更加理想。
图1.6 延性和脆性材料的sigma;-ε曲线的比较：（a）延性材料;（b）脆性材料。
塑形断裂通常以大剪切唇和相当大的变形为特征（图1.7a）。相比之下，脆性破裂通常特征在于具有很少或没有延性的平坦裂纹断裂表面（图1.7b和图1.1），并且应力水平通常低于一般屈服的平均应力水平。脆性断裂不像屈服、屈曲或疲劳失效那么常见，但是当它们发生时，它们在人类生命和财产损失方面可能代价更高。
断裂表面
疲劳裂纹尖端
（a）延性特性
（b）脆性特性
断裂表面
疲劳裂纹尖端
图1.7 延性断裂和脆性断裂表面
图1.2显示了一艘由于脆性断裂而失效的船。在存在严重应力集中的情况下，该船受到高于正常载荷（但标称应力低于屈服应力）的载荷作用。应力集中增加局部约束和限制屈服，导致主要应力基本相等。因此，局部应力达到钢的抗拉强度，具有很少或没有屈服，并且发生脆性断裂。一旦脆性断裂开始，负荷条件使得裂缝在船舶内完全传播仅需要不到1秒。该船中的钢具有非常好的延展性和缺口韧性（例如，在使用温度下CVN冲击值为55英尺-磅），表明脆性断裂可由严重负载和高约束引起，而不仅仅由具有低缺口韧性的材料引起。
1994年在Northridge地震中，高度约束的接缝中的力矩连接的建筑物发生断裂的经验强调了许多因素的重要性，包括载荷、设计、制造、检查和材料性能。
1.3 缺口韧性
由于在不引入某种类型的缺口、缺陷、不连续或应力集中的情况下制造大型焊接结构是非常困难的，因此设计工程师必须意识到缺口和约束对材料特性的影响。所以，除了诸如屈服强度、弹性模量和拉伸强度的材料性能之外，还存在可能与结构的特性相关的另一非常重要的材料性质，即缺口韧性。缺口韧性定义为在存在尖锐缺口的情况下，通常是在经受冲击载荷时材料吸收能量的能力。缺口韧性通常被测量为在特定温度和负载速率下使特定缺口-韧性试样断裂所需的能量（焦耳或磅-磅）。
缺口韧性用各种试样测量，最广泛使用的是Charpy V型缺口（CVN）冲击试样。具有摆锤的试验机用于在各种温度下冲击试样，将试样断裂所需的吸收能绘制为温度的函数。普通结构材料的典型CVN结果如图1.8所示，其显示了在冲击载荷条件下从脆性到延性行为的转变。图1.8左下方所示的CVN冲击值代表低水平的缺口韧性或脆性特性，而较高温度（右上）的值代表韧性型特性。应当注意，一些材料（例如铝和非常高强度的钢）不表现出明显的过渡特性。而且，一些材料在所有温度（例如，75ksi屈服强度的铝）具有低缺口韧性，而一些材料在所有温度（例如，180ksi屈服强度的合金钢）具有高水平的缺口韧性。
铝 515（75）
钢 4340 1380（200）
铝 260（40）
Charpy 能量
钢 1240（180）
（高合金）
钢 550（80）
结构钢 275（40）
温度
图1.8 选定结构材料的Charpy V型缺口冲击能量对温度的特性
结构钢的能量吸收、延展性（切口根部处的横向膨胀或收缩）的变化和断裂外观（通过断裂面上的剪切百分比测量）如图1.9所示。在 140°F，观察到完全延展特性；在-200°F，观察到完全脆性特性，这两个极端之间的区域称为过渡区域。要注意的是过渡区域对于两种不同的加载速率（缓慢和冲击）是不同的。加载速率的这种影响对如下所述的结构的断裂行为具有非常显着的影响。
通常建立各种“转变温度”作为结构材料的缺口韧性的指示。例如，图1.9a中所示的钢的15英尺-磅冲击转变温度为约30°F，20密耳侧向膨胀化转变温度为约30°F。 此外，该钢的50％冲击断裂-外观转变温度为约30°F，如图1.9c所示。显然，这些转
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