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标  题: [身边的力学]裂纹与材料的强度——侯晓宁 文健
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 17:03:22 2005), 站内

裂纹与材料的强度

侯晓宁  文健


    众所周知，自然界中的各种物质都是由分子构成的，分子和分子之间通过一种结合力相互连接在一起，当外界施加的力大于这种分子结合力的时候，相邻的分子就会发生分离。然而在很早以前人们就发现，按照这样的想法计算得到的材料在断裂时的理论强度值和试验测量的实际强度值两者之间相差甚远，前者常常是后者的数百倍或上千倍，如此巨大的差别是如何产生的呢？

    1920年英国科学家格里菲思（A．A．Griffith）在研究玻璃的实际强度，做了一个试验：用玻璃薄壁圆管和球形玻璃灯泡作为试验样品，在玻璃上人为地刻上长度不同的刻痕，然后向其中泵入液体使其爆裂。试验结果显示：刻痕的长度越大，爆破时所需要的液体压力就越小，即玻璃实际测得的强度越低。

    因此，他把材料的理论强度与其实际强度的差别归结为材料内部存在着各种细小的缺陷。正是那些肉眼难以察觉的缺陷或裂纹使试验测量得到的材料的实际强度明显降低。但是，由于在那时工程设计中使用的都是材料的实际强度，即试验测量值，加上当时生产力发展水平的限制，19世纪初的工程材料表现为脆性断裂破坏者为数甚少。因此，这种认为材料中存在有裂纹的思想并没有引起足够的重视，工程师们仍遵循材料是没有任何缺陷的和完整的这一假设来进行工程结构的设计。然而，无情的事实向人们提出了一系列的挑战。在二次世界大战期间，美国建造的五千艘全焊接式自由轮货船投入使用后，其中有一千多艘陆续发生各种断裂破坏，最严重的破坏甚至使船体突然断成两截。1950年美国“北极星”导弹固体燃料发动机的机壳在试验时发生爆炸；1949年东俄亥俄州的圆柱形储气罐断裂爆炸使周围街市变成废墟，并造成128人死亡，总损失高达680万美元。这些断裂破坏事故都是在人们毫无察觉的情形下发生的，因此常常伴随着大量的人员伤亡和财产损失，造成灾难性的后果。从大量飞机、船舶和高压容器等的脆性断裂事故分析中科学家们发现，所有的断裂均起源于材料中的裂纹。尽管这些结构都满足常规设计中对强度的要求，并具有足够的安全系数，但是在外力的作用下，这些裂纹会逐渐地增长，不断削弱结构的实际承载能力，最后裂纹发生急剧扩展，从而导致了结构的破坏，这时，人们才对裂纹有了更加深刻的认识。从50年代开始，有关裂纹的研究工作得到了加强，并逐渐形成了一门新兴的学科——断裂力学。断裂力学主要研究裂纹扩展的规律，探索裂纹对材料和结构强度的影响，建立断裂判据，控制和防止断裂破坏的发生。现代工程结构已经开始采用断裂力学的理论进行设计，断裂力学在完善工程设计、提高结构的安全性、消除断裂事故隐患等方面都发挥着十分重要的作用。

    通过严谨的数学分析，科学家们发现：一个矩形的平板，在均匀分布的外界拉力作用下，其内部各处的应力（即单位面积上的力，用σ表示）也是均匀分布的（图1）；但若有一个裂纹存在时，在靠近裂纹的地方，应力就不再均匀分布，相反却会发生急剧的变化（图2）。越接近裂纹的尖端，应力也就越大；裂纹尖端的应力在理论上是无穷大的。考虑到在建立分析模型时所作的一些抽象化，实际材料中裂纹尖端的应力通常不会达到无穷大，但该处的应力确实要比远离裂纹尖端的应力大得多。这样大的应力常常会超过材料所能承受的极限应力值，引起其内部裂纹的扩展并由此造成结构的断裂。因此在现代工程设计中，对材料选择不仅要求考虑其强度，更重要的还要求考虑其断裂韧度——材料抵抗裂纹扩展的能力。在检验厂家生产的材料合格与否时，断裂韧度也是一个非常重要的指标。与此同时，人们也开始注意材料在冶炼中，在锻造、切削、焊接、铆接及热处理等加工工艺过程中以及在使用中是否会产生裂纹，从而影响到材料的强度。又各种检测裂纹的手段也得到相应的发展，如X射线探伤仪、超声波探伤仪以及工业CT等仪器都可以帮助人们探测材料或结构中可能存在的裂纹，以避免事故的发生。

    在大多数情形下，裂纹的存在总是伴随着灾难，不过，人们还是没有忘记利用它有利的一面来为人类服务。例如，在工业生产中，中国的力学工作者发明了一种利用裂纹对材料强度的削弱这一原理制作的断料机，极大地提高了材料加工的效率。切割玻璃时，工人们总是先用玻璃刀在玻璃上刻下划痕，以使玻璃切割得既整齐又省力。售货员卖布时，也是先在布的边缘剪开一个小口，沿着这个小口，可以很容易地将布撕开。就是在人们常吃的方便面等食品的塑料包装袋边上，你也常常会发现细心的厂家在出厂前开的小缺口（图3），有了它，你就不再会为如何打开包装袋犯愁了，而厂家也不必担心运输过程中包装的破损。这些例子都说明：只要掌握了裂纹自身的规律，它也会从断裂事故的罪魁祸首变成一个方便生产和生活的功臣。

    近年来的研究还发现，甚至在一些材料中，大量存在的细小裂纹会消耗掉一部分外界的能量，使较大尺寸裂纹所受的应力减小，从而起到延缓其扩展的作用，提高了材料抵抗裂纹的能力。利用这种所谓裂纹的“屏蔽效应”，人们已经生产出了一些性能优良的工程材料。

    总之，对裂纹的研究使人们更深入地了解了它的规律，有效地防止了结构断裂事故的发生，增强了结构设计的可靠性。迄今，有关研究工作仍在继续进行。力学工作者借助于各种光学和电子显微设备，在更细微的尺度上开展工作，力图寻找裂纹是如何萌生、增长，又是如何聚合、发展并逐步扩展导致断裂发生的。对这一变化过程的研究必将进一步丰富人类的科学知识，并最终造福于人类。

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