脆性固體斷裂力學(xué)

前言

在本書的第一版于1975年出版的時(shí)候，材料科學(xué)的許多分支還都處在一個(gè)初始的發(fā)展階段。那時(shí)，一類新的固體材料——陶瓷作為材料家族中一個(gè)重要的成員出現(xiàn)了。大多數(shù)陶瓷都具有共價(jià)一離子型結(jié)構(gòu)，具有相當(dāng)高的熔點(diǎn)、硬度和優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)性能。陶瓷覆蓋了很寬范圍內(nèi)的一系列材料，包括玻璃、多晶聚集體、半導(dǎo)體和礦物。限制這些材料應(yīng)用的最關(guān)鍵的因素是脆性——本征因素決定的低的斷裂阻力。相應(yīng)地，在20世紀(jì)70年代末，材料工程師們?yōu)橹苽渚哂懈邚?qiáng)度、高脆性的陶瓷付出了共同的努力。隨著這一研究的深入進(jìn)行，對脆性結(jié)構(gòu)中裂紋如何起源、如何擴(kuò)展問題的理解也取得了顯著的進(jìn)展。到了1993年本書第二版出版的時(shí)候，陶瓷科學(xué)這一領(lǐng)域以及相應(yīng)的用于表征相關(guān)斷裂行為的斷裂力學(xué)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)成熟期。從那個(gè)時(shí)候開始，材料科學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)覆蓋面更寬的交叉學(xué)科，一些分支涉及納米技術(shù)和生物技術(shù)這些新的“熱點(diǎn)”領(lǐng)域。材料工程與其他一些學(xué)科如物理、化學(xué)、生物學(xué)及藥學(xué)等之間的界限變得越來越模糊了。但是，無論是什么樣的應(yīng)用領(lǐng)域，可靠性和壽命仍然是所有材料結(jié)構(gòu)的使用性能的中心問題。這也許就可以解釋《脆性固體斷裂力學(xué)》這本書35年來一直暢銷這一事實(shí)。將本書翻譯成中文，最早是由龔江宏博士向我建議的。而后，他又自己承擔(dān)了翻譯工作。我非常感謝龔博士在完成這一繁瑣工作的過程中所付出的耐心和努力。

內(nèi)容概要

本書是一部系統(tǒng)描述脆性固體(主要是具有共價(jià)-離子結(jié)構(gòu)的陶瓷材料)斷裂力學(xué)基本概念和基礎(chǔ)理論的經(jīng)典著作。    本書從材料學(xué)角度出發(fā)，總結(jié)了斷裂力學(xué)在連續(xù)介質(zhì)、材料顯微結(jié)構(gòu)以及原子尺度上所取得的相關(guān)研究成果，并將這些成果有機(jī)地結(jié)合在一起，形成了系統(tǒng)的脆性固體斷裂力學(xué)理論體系。其中，關(guān)于顯微結(jié)構(gòu)屏蔽效應(yīng)、原子尺度上裂紋尖端行為以及壓痕微開裂理論的描述，是本書與其他斷裂力學(xué)著作相比所具有的顯著特色。    本書對于從事脆性固體的強(qiáng)度與韌性研究的科研人員具有重要的參考價(jià)值。

作者簡介

Brian Lawn，先后于1959年和1963年在澳大利亞Western大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位和物理學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所研究員，美國工程院院士。 
    Brian Lawn教授長期致力于脆性材料斷裂性質(zhì)的研究，發(fā)表了研究論文300多篇，在陶瓷壓痕斷裂和斷裂機(jī)制領(lǐng)域進(jìn)行了開創(chuàng)

書籍目錄

1  Grimth原理  1．1  應(yīng)力集中  1．2  Grimth能量平衡概念：平衡狀態(tài)下的斷裂  1．3  承受均勻拉伸作用的裂紋  1．4  Obreimoff實(shí)驗(yàn)  1．5  強(qiáng)度的分子理論  1．6  Grimth裂紋  1．7  進(jìn)一步的問題2  裂紋擴(kuò)展的連續(xù)介質(zhì)理論(Ⅰ)：裂紋尖端處的線性場  2．1  描述裂紋平衡狀態(tài)的連續(xù)介質(zhì)方法：用熱力學(xué)循環(huán)研究裂紋系統(tǒng)  2．2 機(jī)械能釋放率G  2．3  裂紋端部場和應(yīng)力強(qiáng)度因子K    2．3．1 裂紋擴(kuò)展模式    2．3．2 裂紋尖端的線性彈性場  2．4  G參數(shù)和K參數(shù)的等效性  2．5 特殊裂紋系統(tǒng)的G和K      2．5．1 均勻承載裂紋    2．5．2 承受分布式荷載作用的裂紋    2．5．3 一些用于實(shí)際測試的裂紋構(gòu)型  2．6 平衡斷裂條件：與Grimth概念的結(jié)合  2．7  裂紋的穩(wěn)定性與K場的可加和性  2．8 裂紋擴(kuò)展路徑3  裂紋擴(kuò)展的連續(xù)介質(zhì)理論(Ⅱ)：裂紋尖端處的非線性場  3．1  裂紋端部過程的非線性和不可逆性    3．1．1  裂紋尖端奇異性的起因：線性彈性連續(xù)力學(xué)的失效    3．1．2 裂紋尖端區(qū)域的額外能量耗散  3．2  Irwin-Orowan對Griffith概念的推廣  3．3  Barenblatt內(nèi)聚區(qū)模型    3．3．1 Barenblatt裂紋的力學(xué)分析    3．3．2連續(xù)細(xì)縫概念的根本局限：Elliot裂紋  3．4  裂紋尖端處與路徑無關(guān)的積分  3．5  能量平衡方法與內(nèi)聚區(qū)方法的等效性  3．6  裂紋尖端屏蔽：R曲線或T曲線    3．6．1 平衡關(guān)系    3．6．2 穩(wěn)定性條件  3．7 特殊的屏蔽構(gòu)型：橋接界面和前端區(qū)    3．7．1 橋接界面    3．7．2 前端區(qū)4  裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展：動態(tài)斷裂  4．1  Mott對Griffith概念的推廣    4．2 拉伸試樣中的擴(kuò)展裂紋    4．2．1  常力加載    4．2．2  常位移加載    4．2．3  極限速率  4．3  接近極限速率時(shí)的動態(tài)效應(yīng)    4．3．1  極限速率的估算    4．3．2  裂紋分叉  4．4  動態(tài)加載  4．5  斷裂粒子發(fā)射5  裂紋擴(kuò)展的化學(xué)過程：斷裂動力學(xué)  5．1  0rowan對Grimth概念的推廣：附著功  5．2  Rice對Griffittl概念的推廣  5．3  裂紋尖端化學(xué)及屏蔽效應(yīng)  5．4  裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)  5．5  動力學(xué)裂紋擴(kuò)展模型    5．5．1  裂紋前緣處的反應(yīng)動力學(xué)    5．5．2  由傳輸決定的動力學(xué)：激活的界面擴(kuò)散    5．5．3  本征屏蔽區(qū)中的內(nèi)摩擦    5．5．4  由傳輸決定的動力學(xué)：“稀薄”氣體的自由分子流動      5．5．5  鈍裂紋假設(shè)  5．6  裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)的評價(jià)  5．7  裂紋愈合一再擴(kuò)展的門檻值與滯后性6  斷裂的原子理論  6．1  內(nèi)聚強(qiáng)度模型  6．2  晶格模型與裂紋陷阱：本征鍵破裂    6．2．1  準(zhǔn)-維鏈模型    6．2．2  點(diǎn)陣模型與Grimth條件    6．2．3  熱激活裂紋擴(kuò)展：動力學(xué)和彎結(jié)  6．3  計(jì)算機(jī)模擬模型  6．4  化學(xué)：集中在裂紋尖端處的反應(yīng)    6．4．1  化學(xué)修飾的晶格模型：協(xié)同反應(yīng)概念的引入      6．4．2  化學(xué)修飾的晶格模型與斷裂力學(xué)    6．4．3  玻璃中的裂紋尖端反應(yīng)  6．5  化學(xué)：表面力及亞穩(wěn)裂紋界面狀態(tài)    6．5．1  表面力的本質(zhì)    6．5．2  脆性裂紋的次生互作用區(qū)      6．5．3  斷裂力學(xué)分析  6．6  裂紋尖端塑性    6．6．1  理論強(qiáng)度模型    6．6．2  位錯(cuò)成核模型  6．7  脆性裂紋基本的原子尖銳性：透射電鏡的直接觀察7  顯微結(jié)構(gòu)與韌性  7．1  裂紋前緣的幾何擾動    7．1．1  穿晶斷裂與沿晶斷裂    7．1．2  兩相材料中的斷裂    7．1．3  斷裂表面臺階  7．2  裂紋尖端屏蔽增韌：一般性理論  7．3  前端區(qū)屏蔽：位錯(cuò)云和微裂紋云    7．3．1  位錯(cuò)云    7．3．2  微裂紋云  7．4  前端區(qū)屏蔽：氧化鋯中的相變    7．4．1  實(shí)驗(yàn)觀察    7．4．2  斷裂力學(xué)理論  7．5  裂紋面橋接導(dǎo)致的屏蔽：單相陶瓷    7．5．1  實(shí)驗(yàn)觀察    7．5．2  斷裂力學(xué)理論  7．6  陶瓷復(fù)合材料    7．6．1  纖維增強(qiáng)復(fù)合材料    7．6．2  延性彌散增韌8  壓痕斷裂  8．1  接觸場中的裂紋擴(kuò)展：鈍壓頭和尖銳壓頭    8．1．1  接觸應(yīng)力場    8．1．2  鈍壓頭    8．1．3  尖銳壓頭  8．2  作為可控缺陷的壓痕裂紋：惰性強(qiáng)度、韌性以及T曲線    8．2．1  惰性強(qiáng)度    8．2．2  韌性    8．2．3  韌性曲線  8．3  作為可控缺陷的壓痕裂紋：與時(shí)間有關(guān)的強(qiáng)度及疲勞    8．3．1  與時(shí)間有關(guān)的強(qiáng)度    8．3．2  疲勞  8．4  亞門檻值壓痕：裂紋起始    8．4．1  Hertz錐形裂紋    8．4．2  徑向裂紋    8．4．3  壓痕門檻值作為評價(jià)脆性的一個(gè)指標(biāo)  8．5  亞門檻值壓痕：強(qiáng)度  8．6  壓痕方法的一些特殊應(yīng)用    8．6．1  尖銳裂紋與鈍裂紋    8．6．2  表面應(yīng)力評價(jià)    8．6．3  基體-纖維滑動界面上的摩擦  8．7  接觸損傷：強(qiáng)度衰減、沖蝕和磨損    8．7．1  強(qiáng)度衰減    8．7．2  沖蝕和磨損  8．8  表面力與接觸附著9  裂紋起始：缺陷  9．1  顯微接觸中的裂紋成核    9．1．1  顯微接觸缺陷    9．1．2  缺陷分布  9．2  位錯(cuò)塞積處的裂紋成核  9．3  化學(xué)場、熱場及輻射場導(dǎo)致的缺陷    9．3．1  化學(xué)誘發(fā)缺陷    9．3．2  熱誘發(fā)缺陷    9．3．3  輻射誘發(fā)缺陷  9．4  陶瓷中的工藝缺陷  9．5  缺陷的穩(wěn)定性：裂紋起始的尺寸效應(yīng)  9．6  缺陷的穩(wěn)定性：晶粒尺寸對強(qiáng)度的影響10  強(qiáng)度及可靠性  10．1  強(qiáng)度與缺陷統(tǒng)計(jì)學(xué)    10．1．1  Weibull分布    10．1．2  保證試驗(yàn)    10．1．3  無損檢測(NDE)    10．2  缺陷統(tǒng)計(jì)學(xué)與壽命  10．3  缺陷消除    10．3．1  光學(xué)玻璃纖維    10．3．2  無雜相的陶瓷  10．4  缺陷容限    10．4．1  具有韌性曲線材料的強(qiáng)度    10．4．2  設(shè)計(jì)方面的意義以及一些錯(cuò)誤的觀點(diǎn)  10．5  其他設(shè)計(jì)因素參考文獻(xiàn)與推薦讀物譯者后記索引

章節(jié)摘錄

插圖：我們借助于一個(gè)假想的可操作的張開一閉合循環(huán)過程來分析裂紋擴(kuò)展的能量。有兩種方法可以用于考慮這么一個(gè)循環(huán)過程：一是考慮一個(gè)完整的無缺陷體中裂紋的形成過程（如1.3和1.4節(jié)中Griffith和Obreimoff所做的那樣），二是考慮一條已有的裂紋所發(fā)生的連續(xù)擴(kuò)展。以下的分析中將采用Griffith曾經(jīng)用過的一個(gè)假設(shè)，即機(jī)械能和表面能的確定過程是相互獨(dú)立的。雖然這只是一個(gè)微不足道的細(xì)節(jié)，但在后面的章節(jié)中我們將找出一些依據(jù)來討論能量項(xiàng)之間的不關(guān)聯(lián)性。盡管并不是Irwin理論中一個(gè)明確的內(nèi)容，但第一類張開一閉合循環(huán)是很值得加以討論的，這是因?yàn)檫@一循環(huán)假定式（1.5）中的機(jī)械能項(xiàng)U3M是由承載固體在開裂之前所承受的應(yīng)力唯一決定的。這一點(diǎn)乍一看似乎并不合理，因?yàn)榭隙〞羞@樣一種看法，即：在裂紋形成的一瞬間，裂紋的發(fā)展應(yīng)該由迅速發(fā)生了變化的瞬間應(yīng)力狀態(tài)來決定。然而，開裂能量與開裂前的應(yīng)力之間的關(guān)系可以很容易地借助于圖2.1所示的過程加以說明。我們先討論沒有裂紋時(shí)的狀態(tài)（圖2.1a），假定此時(shí)彈性場是已知的。現(xiàn)在假想沿著最終的裂紋面引進(jìn)一個(gè)無限狹窄的切口，同時(shí)在切口的表面上施加一個(gè)與開裂前應(yīng)力大小相等但方向相反的約束力，以保持系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。這樣的處理就使得我們得到了狀態(tài)（b）。這一過程中的唯一能量變化是由引進(jìn)新的斷裂表面而進(jìn)行的切口操作所導(dǎo)致的，其大小為USO接下來，把施加在裂紋表面上的約束力松弛到零（緩慢地松弛以避免動能項(xiàng)的產(chǎn)生），同時(shí)在裂紋的端部加上約束以避免裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。這就得到了一個(gè)平衡裂紋構(gòu)型（圖2.1c），而為達(dá)到這一狀態(tài)所釋放的機(jī)械能無疑就是UMO此時(shí)，將過程向相反方向進(jìn)行：重新在裂紋表面施加約束力，從零開始線性地增加直至裂紋完全閉合。因?yàn)閺椥韵到y(tǒng)是守恒的，最終的應(yīng)力狀態(tài)將與起始應(yīng)力狀態(tài)（b）完全吻合。因此，在胡克定律范圍內(nèi)，與裂紋形成有關(guān)的機(jī)械能的減少可以表示為開裂前的應(yīng)力與裂紋面位移的乘積沿裂紋面的一個(gè)積分。根據(jù)彈性方程可知，裂紋面的位移本身是與裂紋表面約束力線性相關(guān)的，因此，開裂前的應(yīng)力分布狀態(tài)應(yīng)該能夠唯一地確定裂紋的能量情況。這一循環(huán)的最后一步不過是使裂紋愈合以消除表面能，去除了所施加的約束力后就回到了狀態(tài)（a）。上述結(jié)果的意義值得再次加以強(qiáng)調(diào)：裂紋完整的擴(kuò)展過程是由裂紋擴(kuò)展發(fā)生之前存在的應(yīng)力狀態(tài)預(yù)先確定的。因此在許多情況下，對于一個(gè)看上去十分復(fù)雜的裂紋系統(tǒng)的斷裂行為的描述只不過是對系統(tǒng)在無裂紋的狀態(tài)下進(jìn)行常規(guī)的應(yīng)力分析而已。當(dāng)我們在2.5節(jié)中討論一些特殊的裂紋系統(tǒng)時(shí)，這一結(jié)論將顯得十分有用。

后記

將Lawn博士的這部經(jīng)典著作翻譯成中文推薦給國內(nèi)的科技工作者是我很多年來的一個(gè)愿望。在學(xué)術(shù)界（至少在脆性固體斷裂力學(xué)這個(gè)領(lǐng)域），Lawn博士是最高產(chǎn)的學(xué)者之一。20多年前當(dāng)我剛剛開始學(xué)術(shù)生涯的時(shí)候，我的案頭凌亂地?cái)[放著的那些參考文獻(xiàn)中大多數(shù)就是Lawn撰寫的論文。那時(shí)，脆性固體斷裂力學(xué)（更準(zhǔn)確一些地說應(yīng)該是陶瓷材料斷裂力學(xué)）的研究在中國剛剛起步。我有幸在關(guān)振鐸教授的指導(dǎo)下開始進(jìn)入到這個(gè)領(lǐng)域，開始逐漸了解到Lawn的工作，進(jìn)而開始逐漸崇拜上了這位嚴(yán)謹(jǐn)勤奮的學(xué)者。1999年秋末，我有幸結(jié)識了Lawn博士。其時(shí)，他和另一位同樣也是從事斷裂力學(xué)研究的知名學(xué)者Ritchie教授一同來到清華大學(xué)參觀先進(jìn)陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。作為關(guān)振鐸教授的助手，我全程接待了Lawn博士一行。也就是在這個(gè)時(shí)候，我們有機(jī)會就出版《脆性固體斷裂力學(xué)》第二版的中文版問題進(jìn)行了第一次交流。遺憾的是，由于種種主觀的和客觀的原因，這一工作遲遲沒能展開。2007年夏天，高等教育出版社的劉劍波編輯找到我，希望我能推薦幾本國外經(jīng)典的材料科學(xué)專著供他們組織翻譯出版。當(dāng)時(shí)我首先想到的便是這本30多年一直長盛不衰的著作。此后兩年左右的時(shí)間里斷斷續(xù)續(xù)的工作便形成了這個(gè)《脆性固體斷裂力學(xué)》中譯本。在這個(gè)中譯本即將奉獻(xiàn)給國內(nèi)讀者的時(shí)候，我有點(diǎn)忐忑不安。在斷裂力學(xué)體系中，脆性固體斷裂力學(xué)是一個(gè)很新的學(xué)科分支，它的許多內(nèi)容尤其是與離散的顯微結(jié)構(gòu)特征和材料本征脆性密切相關(guān)的內(nèi)容都與經(jīng)典的彈塑性斷裂力學(xué)有著本質(zhì)的不同。因?yàn)楹苄拢哉嬲耆I(lǐng)會其精髓并不是一件很容易的事情。我只能將大師的思想盡我所能盡量準(zhǔn)確地翻譯出來。希望這個(gè)看上去略顯粗糙的譯本不會讓Lawn博士失望。感謝劉劍波女士給我這個(gè)機(jī)會完成一個(gè)心愿，感謝高等教育出版社的趙向東先生對這個(gè)中譯本進(jìn)行的認(rèn)真細(xì)致的編輯加工，感謝我的同事和研究生在我翻譯本書的過程中提供的種種幫助。

編輯推薦

《脆性固體斷裂力學(xué)(第2版)》編輯推薦：材料科學(xué)經(jīng)典著作選譯

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