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第1篇断裂、损伤力学基本概念1

第1章 线弹性断裂力学4

1.1 断裂机理4

1.2 三种裂纹基本型态4

1．Ⅰ型裂纹（张开型裂纹）4

2．Ⅱ型裂纹（滑开型裂纹）4

3．Ⅲ型裂纹（撕开型裂纹）5

1.3 裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子6

1．Ⅰ型平面裂纹尖端应力场和应力强度因子6

2．Ⅱ型平面裂纹尖端应力场和应力强度因子7

3．Ⅲ型平面裂纹尖端应力场和应力强度因子8

1.4 裂纹尖端塑性区尺寸与形状和塑性区修正9

1．VonMises屈服准则的塑性区9

2．Irwin塑性区10

3．Dugdale塑性区11

1.5 线弹性断裂韧度和断裂判据11

1．材料的断裂韧度KI？,KⅡ？,KⅢ？及断裂判据11

2．裂纹扩展能量释放率和能量判据11

3．Irwin断裂判据12

4．复合型断裂判据12

1.6 阻力曲线及判据15

1.7 疲劳裂纹扩展速率da/dN16

第2章 弹塑性断裂力学18

2.1 J积分理论及判据18

2.2 裂纹尖端张开位移21

1．Dugdale模型21

1．弹性范围内δ、J与K之间关系22

2.3 δ、J与K之间关系22

3．Wells裂纹张开位移公式22

2．Paris裂纹张开位移？22

2．小范围屈服、塑性区修正δ、J与K之间关系23

2.4 弹塑性裂纹尖端场23

1．Ⅰ型、静止裂纹、幂硬化材料HRR奇异解23

2．扩展裂纹、Ⅰ型、幂硬化材料GH奇异解24

第3章 损伤力学27

3.1 脆性损伤基本概念28

1．损伤变量D28

2．损伤变量D的测量方法28

3.2 脆性损伤模型及演化30

1．弹性固体中的突然损伤模型30

2．蠕变损伤裂纹扩展模型31

2．孔洞体积比条件32

3.3 韧性材料的损伤孔洞模型32

1．孔洞形核率方程32

3.4 韧性材料的蠕变损伤模型33

1．孔洞形核率33

2．损伤演化断裂应变34

3．无损时最低应变率34

4．断裂时间34

6．蠕变损伤允限34

第4章 断裂力学试验标准试样35

4.1 标准三点弯曲试样36

4.2 标准紧凑拉伸试样37

4.3 WOL型紧凑拉伸试样38

4.5 拱形三点弯曲试样39

4.4 圆形紧凑拉伸试样39

4.6 短跨距三点弯曲试样40

4.7 圆柱切口拉伸试样40

4.8 C形拉伸试样41

4.9 中心穿透裂纹板试样42

4.10 双边裂纹板试样43

4.11 单边裂纹板试样44

4.12 恒KI试样45

4.13 半椭圆表面裂纹拉伸试样45

参考文献46

第2篇断裂、损伤参量的电测技术49

第5章 电阻应变测量的基本原理52

5.1 电阻应变片52

5.2 电阻应变仪的工作原理及应用53

5.3 电测断裂参量所用仪器54

1．X-Y记录仪54

2．载荷传感器（测力器）54

3．双悬臂夹式引伸计54

4．声发射仪55

第6章 平面应变断裂韧度KIc测试方法57

6.1 KI？的标准测定方法57

1．P？点的确定57

2．裂纹扩展量△a的确定58

3．保证平面应变及小范围屈服的条件58

4．试样的准备59

5．加载速度59

6.2 用表面裂纹试样测量KIc60

6．试验有效性校核60

6.3 测量KI？的其它类型试样61

第7章 临界COD（δ？）和J积分（JIc）测试方法62

7.1 临界COD（δ？）的测试62

1．COD测试原理62

2．转动因子γ的确定63

3．临界点（裂纹开裂点）的确定64

4．临界COD测试步骤与方法66

7.2 J积分临界值JI？的测试67

1．测量JI？的基本原理67

2．测量JI？对试样尺寸的要求68

3．多试样法测量JI？的步骤68

4．单试样法测量JI？的步骤69

5．阻力曲线法确定JI？70

第8章 平面应力断裂韧度Kc和动态、止裂断裂韧度测试方法71

8.1 平面应力断裂韧度K？测量原理71

1．对试样尺寸的要求71

2．临界裂纹长度a？的确定72

8.2 平面应力断裂韧度K？的测试方法73

1．用COD法测量K？73

2．用阻力曲线法测量K？74

3．用P-V曲线法测定K？75

4．直接测量法确定K？75

8.3 动态断裂韧度KId、δId、JId的测试简介75

1．用冲击试验机测试KId76

2．用电液伺服万能试验机测试KId、δId、JId76

8.4 止裂断裂韧度KI？的测试78

1．止裂原理78

2．止裂断裂韧度KI？的测试79

第9章 裂纹扩展速率da/dN和应力腐蚀断裂韧度Kiscc的测试方法80

9.1 疲劳裂纹扩展速率da/dN测试的基本原理80

1．测试疲劳裂纹扩展速率da/dN的试样及标定公式81

2．对试样尺寸的要求82

3．da/dN的测试原理82

9.2 疲劳裂纹扩展速率da/dN的测试步骤82

9.3 电阻法测量高温下的da/dN83

9.4 应力腐蚀断裂韧度KI？？？测试技术85

1．恒载荷法测量KI？？？和da/dt85

2．恒位移试样测量KI？？和da/dt87

3．恒KI试样测量da/dt88

10.2 损伤变量D的测定89

2．试验设备89

1．试样的形状和尺寸89

10.1 损伤变量测量的试样和基本设备89

第10章 损伤变量的测量方法89

1．弹性模量法确定D90

2．塑性应变法确定D90

3．直接测量法确定D90

10.3 韧性材料临界空穴扩张比参数的基本概念91

1．V？？的基本概念91

2．V？？的物理意义91

10.4 韧性材料临界空穴扩张比参数V？？的测定93

1．测量步骤93

2．试验结果计算VGo93

3．试验有效性校核93

参考文献93

第3篇光测断裂、损伤力学试验技术95

11.1 光弹性法确定应力强度因子的基本原理99

1．普通光弹性基本方法99

第11章 光弹塑性法裂纹尖端应力场和应力强度因子的测量99

2．激光全息光弹性法100

3．无限体裂纹尖端三维应力场101

11.2 应力强度因子KⅠ、KⅡ的测定102

11.3 Ⅲ型应力强度因子KⅢ的测定104

1．切片逐次削去法104

2．薄切片法测定KⅢ105

11.5 三维光弹法确定SIF在工程问题中的应用106

2．均匀拉伸平板表面裂纹形状因子近似解的评价与选优106

1．确定反应堆压力容器接管角裂纹的SIF106

2．材料泊松比的修正106

1．三维模型内裂纹的制作方法106

11.4 三维裂纹体光弹模型研究中的技术问题106

11.6 光弹性用于动态断裂的研究108

1．用光弹性法确定动态应力强度因子（SIF）108

2．用光弹性法研究动态SIF与裂纹扩展速度的关系108

11.7 光弹性法确定裂纹尖端应变能密度因子108

11.8 光塑性法用于研究弹塑性断裂力学简介109

第12章 云纹和云纹干涉法测量裂纹尖端场和有关断裂韧度110

12.1 云纹和云纹干涉法的基本原理110

1．云纹法110

2．云纹干涉法111

12.2 用云纹或云纹干涉法确定应力强度因子（SIF）和裂纹尖端张开位移（CTOD）112

1．SIF的测试技术112

2．用云纹或云纹干涉法确定裂纹体的J积分113

1．塑性区尺寸Rp的确定113

12.3 塑性区尺寸Rp和J积分的确定113

2．COD的确定113

12.4 裂纹尖端奇异场测量和理论解比较114

1．线弹性奇异场分析114

2．弹塑性裂纹尖端HRR奇异场试验研究115

3．弹塑性扩展裂纹尖端GH奇异场的试验研究118

12.5 裂纹尖端损伤参量测量120

12.6 复合型裂纹尖端应变场的测量121

第13章 格子法在断裂、损伤测量中的应用122

13.1 格子法测量的基本原理122

13.2 裂纹尖端小区域内断裂参量的测量123

1．裂纹尖端拉伸应变ε？0的测量123

13.3 裂纹尖端损伤区内变形场的测量124

2．裂纹尖端张开位移CTOD的测量124

13.4 格子法测量循环加载条件下疲劳裂纹扩展129

13.5 大晶粒试样变形场及晶界滑错测量130

1．晶界滑错测量130

2．晶界增宽、孔洞形核的观测131

第14章 光学焦散线方法确定裂纹尖端应力强度因子132

14.1 光学焦散线法的基本原理132

1．屏在试样前光线由前表面反射133

2．屏在试样前光线由后表面反射133

3．屏在试样后光线透射133

14.2 裂纹尖端焦散线的特性134

1．各向同性材料裂纹尖端焦散线134

2．Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹尖端焦散线138

3．双折射材料裂纹尖端焦散线140

4．各向异性材料裂纹尖端焦散线141

14.3 裂纹之间相互影响的焦散线142

14.4 用焦散线法研究分叉裂纹问题143

14.5 用焦散线法确定内表面裂纹尖端SIF143

14.6 V型缺口问题的应力强度因子145

14.7 焦散线法研究动态扩展裂纹问题146

1．焦散线法动态测量基本原理146

2．光学各向同性材料的焦散线特性及K？的确定147

3．光学各向异性材料焦散线特性及K？的确定149

4．动态焦散线确定裂纹止裂韧度KI？149

5．动态焦散线确定断裂韧度影响因素的讨论151

14.8 弹塑性材料焦散线154

1．弹塑性焦散线的基本特征154

14.9 焦散线方法的其它应用156

2．弹塑性焦散线确定J积分156

第15章 全息和散斑干涉在断裂、损伤参量测量中的应用157

15.1 全息和散斑方法的基本原理157

1．全息干涉法157

2．散斑干涉法159

3．白光散斑法161

4．全息和散斑法测量精度分析161

15.2 全息和散斑法测量裂纹尖端三维变形场162

1．全息、散斑法结合测量Ⅰ型裂纹尖端三维变形场162

2．全息法测量Ⅲ型裂纹尖端变形场162

3．裂纹尖端奇异场分析164

15.3 全息、散斑法测量断裂力学基本参量164

1．应力强度因子K的测量164

4．J积分的测量165

2．COD和CTOD的测量165

3．COA和CTOA的测量165

15.4 裂纹尖端颈缩区尺寸测量及塑性区分析167

15.5 全息和散斑法测量裂纹尖端小区变形场167

15.6 白光散斑技术在断裂参量研究中的应用169

15.7 全息干涉在工业无损检测中的应用170

1．夹层结构未结合区的检查170

2．轮胎及其它压层制品缺陷的检查171

3．金属零部件内部裂纹的检查171

第16章 图像信息处理技术和数字散斑相关法在断裂、损伤实验研究中的应用173

16.1 数字散斑相关法的基本原理173

2．悬臂梁自由端加载、测量梁的挠度曲线174

1．物体刚体平移试验174

16.2 相移法基本原理175

1．参考光路中加压电陶瓷反射镜实现相移175

2．偏振实现相移176

3．机械调节实现相移176

4．光载波实现相移176

5．图像处理技术多次采样实现相移176

16.3 数字散斑相关法和相移法测量裂纹尖端变形场176

1．数字散斑相关法测量裂纹尖端变形场176

2．相移法测量裂纹尖端变形场177

16.4 裂纹尖端损伤区内变形场的确定178

16.5 损伤断裂的分形特征179

1．分形几何基本概念179

3．分形维数的估算180

2．严格分形与统计分形180

16.6 损伤断裂的分形研究182

1．脆性断裂的分形模型182

2．裂纹扩展速率的分形效应183

3．断口的分形分析183

4．分形维数与脆性损伤断裂184

5．裂纹分叉的分形特征185

第17章 光导纤维在断裂、损伤测试技术中的应用187

17.1 光导纤维分类和传光原理187

1．光导纤维分类187

2．传像束的传像原理及其分辨率188

3．激光束与光纤耦合物镜的选择188

1．光导纤维在全息干涉计量中的应用189

17.2 光导纤维和近代光力学方法结合的应用189

2．光导纤维在散斑干涉计量中的应用190

3．光导纤维全息、散斑法分析裂纹尖端位移场191

4．光导纤维在云纹法中的应用192

17.3 光导纤维作为增强材料在损伤力学测量中的应用192

第18章 显微镜在断裂、损伤测试技术中的应用194

18.1 电子显微镜194

1．透射式电子显微镜194

2．扫描电子显微镜194

18.2 CT扫描电子显微镜196

18.3 光学显微镜196

1．连续变倍体视摄影显微镜196

1．扫描声学显微镜原理197

18.4 扫描声学显微镜197

2．声学显微镜的应用197

3．高放大率、实时加载、显微图像处理系统197

2．高倍率显微投影仪197

第19章 射线法检验与测量201

19.1 轴射源201

1．X射线202

2．γ射线202

3．中子203

19.2 电磁辐射的衰减204

19.3 中子束的衰减204

19.4 射线阴影形成的原理204

1．铸件中的缺陷206

19.6 图像的分析与认别206

4．中子射线照相的应用206

3．焊接件的检测206

2．复杂形状试样的检测206

1．X射线或γ射线用于简单型材或板材内裂纹和缺陷的检测206

19.5 射线照相在裂纹及缺陷检测中的应用206

2．焊接件中的缺陷207

第20章 激光衍射谱在断裂、损伤测式中的应用208

20.1 衍射谱测量理论分析208

1．相干光在粗糙表面上的散射208

2．变形前后激光在金属表面上反射衍射谱的变化210

20.2 衍射谱法测量多晶金属变形的弹塑性区分界线212

1．光路与变形尺度212

2．试样和加载212

3．实验内容和方法212

20.3 用激光衍射谱变化定义损伤变量D（K）及其测量214

1．基本原理214

2．测量方法215

参考文献216

第4篇声测量在断裂、损伤测试技术中的应用物理量符号、名称及单位221

第21章 声测量技术的基本原理223

21.1 振动与波223

1．振动223

2．波动223

21.2 声波的传播224

1．波长224

2．波的传播速度224

3．声速、波长、频率之间的关系225

21.3 超声场225

1．近场225

4．指向角226

3．声压分布226

2．远场226

21.4 超声波的临界角227

21.5 超声波在界面上的反射与透射228

1．超声波的反射与透射228

2．反射定律与折射定律228

21.6 超声波的衰减229

1．超声波的散射与绕射229

2．超声波被吸收230

3．超声波在材料中的衰减230

第22章 声测量及应用233

22.1 声弹性原理233

1．平面声弹性基本原理233

2．超弹性应力－声学效应234

4．塑性变形对声弹性的影响235

3．表面波应力－声学关系235

1．加载系统236

2．超声测量速度系统236

3．换能器系统236

22.2 平面声弹性测量技术236

4．主声轴的测定237

22.3 平面声弹性测量在应力分析中的应用237

1．带孔板应力集中的测量237

2．声弹性法测定断裂参数237

3．结构体内部三维应力声弹性测量238

4．声弹性测量残余应力238

22.4 声发射技术研究细观断裂239

1．声发射法评估纤维丝束的统计特性239

2．声发射法测量层板的损伤与断裂239

1．液面声全息术241

22.5 声全息术及应用241

2．扫描声全息术243

3．声全息的应用244

第23章 超声波探伤246

23.1 超声波探伤原理及方法246

1．超声波穿透法探伤246

2．超声波脉冲反射法探伤246

23.2 仪器和探头性能的校验247

1．仪器特性247

2．探头特性248

3．检验系统特性249

23.3 超声波探伤图形中回波的判别250

1．没有缺陷的探伤图形250

3．缺陷延伸度的评估251

2．缺陷当量的评估251

2．有缺陷时的探伤图形251

23.4 回波高度与缺陷大小的评定251

1．回波高度的度量251

23.5 超声波探伤的应用252

1．超声波探伤检查材料质量252

2．探测设备中的缺陷252

3．研究疲劳裂纹扩展速率252

23.6 标准试块介绍252

1．DIN54120K1标准试块及其在调整与校验脉冲反射式超声波探伤仪中的应用252

2．DIN54122K2标准试块及其在调整与校验脉冲反射式超声波探伤仪中的应用255

参考文献257

第5篇磁测量在断裂、损伤测试技术中的应用物理量符号、名称及单位259

2．磁极之间的力261

3．磁场和磁场强度261

24.1 磁场的描述261

1．磁极261

第24章 磁测量的基本原理261

4．磁力线262

24.2 磁介质和钢材的磁性262

1．磁介质262

2．钢材的磁性263

24.3 磁巴克豪生效应（MBE）264

1．磁化曲线264

2．磁滞回线265

3．巴克豪生效应（BE）265

2．磁致伸缩的逆效应266

24.4 磁致伸缩和磁声发射266

1．磁致伸缩266

3．磁声发射（MAE）268

4．应力场对磁感应强度的影响268

24.5 漏磁通（MFL）269

24.6 磁感生声速变化（MIVC）270

24.7 涡流270

第25章 磁测量在断裂、损伤测试中的应用272

25.1 磁巴克豪生效应测试装置272

25.2 磁巴克豪生效应的应用273

1．MBE在内应力检测中的应用273

2．MBE检测缺陷、表面损伤和硬化273

3．MBE测量晶粒大小和第二相沉积物的尺寸274

1．自平衡型九脚磁探头测量残余应力分布275

25.3 磁致伸缩及其逆效应用于残余应力测量275

2．磁敏感器测量平面应力276

第26章 磁粉无损探伤277

3．四脚探头测量结构残余应力279

25.4 磁声发射（MAE）在结构无损检测中的应用279

1．磁声发射测量装置279

2．磁声发射测量单晶体在热处理过程中所发生的结构变化280

25.5 漏磁通在磁测量中的应用281

1．漏磁通检测设备281

2．漏磁通在检测中的应用282

25.6 磁感生声速变化用于无损检测283

25.7 涡流测量的主要应用285

2．磁粉探伤的特点287

1．磁粉探伤原理287

26.1 磁粉无损探伤基本原理287

26.2 磁粉和悬浮液288

1．磁粉288

2．磁悬浮液288

26.3 磁粉探伤基本设备289

1．磁化电源289

2．工件夹持装置289

3．指示装置289

4．磁粉或磁悬浮液喷洒装置289

5．照明装置289

6．退磁装置289

7．标准试块和试片289

1．连续法和剩磁法291

26.4 磁粉探伤工艺及程序291

2．干法与湿法292

3．磁化规范292

4．磁痕观察与记录293

5．退磁293

26.5 磁粉探伤的应用294

1．焊接件的探伤294

2．锻钢件的探伤294

3．铸钢件的探伤294

4．维修件的探伤295

5．特殊工件的探伤检验295

参考文献295

常用技术资料296