2.9 机械零件的抗断裂强度

在工程实际中，有这样一些结构，若按常规的强度理论来分析，它们是能满足强度条件的，即工作应力小于许用应力。但在实际使用中，又往往会发生突然性的断裂。这种在工作应力小于许用应力时所发生的突然断裂，常称为低应力脆断。

通过对大量结构断裂事故分析表明，结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。因此 ，用传统的强度理论计算高强度材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。为了解决这一问题，断裂力学便应运而生。

断裂力学是研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。对于传统的强度理论，是运用应力和许用应力来度量和控制结构的强度与安全性。为了度量含裂纹结构体的强度，在断裂力学中运用了应力强度因子KⅠ（或KⅡ、KⅢ）和平面应变断裂韧度KⅠc（或KⅡc、KⅢc）两个新的度量指标，建立损伤容限为设计判据的设计方法（其中脚标Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示按承载时裂纹产生不同的变形现象或趋势而划分的裂纹类型）。

高强度材料的广泛应用，推进了断裂力学的发展。对断裂力学研究的不断深入，使其应用范围不断扩大。目前，断裂力学在工程上主要应用于估计含裂纹构件的安全性和使用寿命，确定构件在工作条件下所允许的最大裂纹尺寸，用断裂力学指导结构的安全性设计。例如，某燃气轮机的一个零件是由高强度合金钢制成。工作时，零件所受最大应力为410MPa。经超声波无损探伤以及进一步的分析，确定其结构内部可能有最大长度为3mm的等效裂纹。根据断裂力学的计算得到应力强度因子。由试验可以确定该零件材料的断裂韧度。进一步可计算出断裂破坏的计算安全系数。因此，可以判断该零件的安全性是足够的。

断裂力学自20世纪50年代诞生以来，已逐步引起学术界及工程界的广泛重视。现在，断裂力学已应用于航空、航天、交通、机械、化工等许多部门。由于断裂力学涉及到较深的数学和力学理论，所以这里只简略介绍了一些有关的基本概念。

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