线弹性断裂力学

1、线弹性断裂力学1、概念：断裂力学：断裂力学是以变形体力学为基础，研究含缺陷(或者裂纹)材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律的一门学科。线弹性断裂力学：应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。2、材料缺陷实际构件存在的缺陷是多种多样的，可能是冶炼中产生的夹渣、气孔，加工中引起的刀痕、刻梢，焊接时产生的裂缝、未焊透、气孔、咬边、过烧、夹杂物，铸件中的缩孔、疏松，以及结构在不同环境中使用时产生的腐蚀裂纹和疲劳裂纹。在断裂力学中，常把这些缺陷都简化为裂纹，并统称为“裂纹”。3、裂纹的类型(1)、按照裂纹的几何特征分类(a)穿透裂纹：厚度方向贯穿的裂纹。(b

2、)表面裂纹：深度和长度皆在构件的表面，常简化为半椭圆裂纹。(c)深埋裂纹：裂纹的三维尺寸都在构件内部，常简化为椭园裂纹。a)出裂城的几何打此分类图才亨的墩赛而裂蝶第堤裂段(2)按照裂纹的受力和断裂特征分类modeIOpeningmodemodeIISlidingmodemodeIIITearingmode(a)张开型：(I型，openingmode,ortensilemode)特征：外加拉应力垂直于裂纹面，也垂直于裂纹扩展的前沿线。在外力的作用下，裂纹沿原裂纹开裂方向扩展。(b)滑开型：(II型，slidingmode,orin-planeshearmode)特征：外加剪应力平行于裂纹面，但垂

3、直于裂纹扩展的前沿线。在外力的作用下，裂纹沿原裂纹开裂方向成一定角度扩展。(c)撕开型：(田型，tearingmode,oranti-planeshearmode特征：外加剪应力平行于裂纹面，也平行于裂纹扩展的前沿线。使裂纹面错开。在外力的作用下，裂纹基本上沿原裂纹开裂方向扩展。m型是最简单的一种受力方式，分析起来较容易，又称反平面问题。(d)混合型：(或复合型，mixedmode)经常是拉应力与剪应力同时存在，实际问题多半是I+H,1+田，I+H+田等，从安全的角度和方便出发，将混合型问题常做简化看成I型处理。(3)按裂纹形状分类根据裂纹的真实形状，一般可以分为圆型、椭圆型、表面半圆型、表面

4、半椭圆型，以及贯穿直裂纹等。4、裂纹对材料强度的影响具有裂纹的弹性体受力后，在裂纹尖端区域将产生应力集中现象。受拉板，若无裂纹时，它的应力流线是均匀分布；当存在一个裂纹时，应力流线在裂纹尖端附近高度密集，但这种集中是局部性的，离开裂纹尖端稍远处，应力分布又趋于正常圆孔的应力集中但）没行缺陷时的情况（恸有映陪产生应力集中时的情揖现考虑一“无限大”薄平板，承受单向均匀拉应力作用，板中存在贯穿椭圆型切口，其长轴2a,短轴2b。根据弹性力学讨论，最大拉应力发生在椭圆长轴端点A（或A，）处，其值为二ymax=:（12。该点处曲率半径b2P=一,得椭圆裂纹处最大应力又可以写为a由固体物理知识,（二y）ma

5、x（12.9）固体材料的理论断裂强度值为式中E材料弹性模量;丫一一固体材料的表面能密度;bo一一固体材料的原子间距。吸引力_.2二x:.-msin%为理论断裂强度，代表晶体在弹性状态下的最大结合力式中正弦曲线的波长x原子偏离平衡位置的位移如果原子位移很小，则.2二x2二xsin，则:一二c.由于我们研究的是弹性状态下晶体的破环，当原子偏离平衡位置的位移很小时，由胡可定律得二二E；二巨式中弹性应变原子间平衡时的距离2二bo晶体脆性断裂时所消耗的功用来供给形成俩个表面所需要的表面能，则22二x，口,mU0=02omsindx=2九31式中¥为裂纹表面上单位面积表面能按照传统强度观点，当切

6、口端点处最大应力达到材料的理论强度时，材料断裂，即max因为ai,故得临界应力当存在理想尖裂纹时，Pt0则。c=0,说明，不管应力多大都断裂，显然与事实不符。这一疑问的答案正是连续介质力学与弹性理论的界限，因为固体是由原子组成，因此，当固体材料中的缺陷是尖端裂纹缺陷时，就可用原子间距bo代替裂纹尖端曲率半径研究表明，当表面能与裂纹长度取下面的取值时=0.01boE2a5000bo则其断裂应力比材料的理论值降低约100倍。这就从应力集中观点解释了固体材料的实际断裂强度远低于其理论强度。当设计的最大应力达到断裂极限c时，裂纹开裂，使裂纹长度2a增加，这样又将使断裂极限降低，则裂纹继续扩展，最后导致

7、整个固体材料断裂，所以它是裂纹失稳扩展的条件。5、探伤结果与裂纹尺寸的换算由公式仃。=可以看出，要确定出断裂极限，还需要知道裂V4a纹扩展所需的表明能，以及已有裂纹的长度。裂纹的长度通常需要利用无损检测的方法来确定，目前流行的无损探伤技术有超声波探伤、磁粉探伤和荧光粉探伤技术。在测量裂纹长度时以下几点需要引起足够的重视：一、对确定的探伤设备及方法，有最小可识别缺陷的限制，设为a。因此，应假设结构中有尺寸为a。的初始缺陷。二、将探伤结果与解剖后实测缺陷尺寸对比，可大致得到经验探伤结果与真是缺陷的换算比。如超声探伤，实际缺陷面积是探伤面积的23倍。三、此外还应引入安全系数。6、Griffith理论

8、Griffith研究了如图所示厚度为B的薄平板。上、下端受到均匀拉应力作用，将板拉长后，固定两端。由Inglis解得到由于裂纹存在而释放的弹性应变能为二a2。2B二二2A2平面应力U=E4EB另一方面，Griffith认为，裂纹扩展形成新的表面，从而表面能增加，则俩个自由表面总的表面能（即裂纹表面能）为：S=2A其中：7为单位面积上的表面能，裂纹面积A=2aB。裂纹表面能：形成新的裂纹表面所需要的能量。由能量守恒，薄板产生裂纹所释放的弹性应变能转化为裂纹表面能。如果应变能释放率dU,等于形成新表面所需要吸收的能量率dAdS,则裂纹达到临界状态；如果应变能释放率dU小于吸收的能量率dAdAdS,

9、则裂纹稳定；如果应变能释放率dU大于吸收的能量率虫，则dAdAdA裂纹不稳定。因此可以得到如下表达式dTT（U-S）=0临界状态dAd.77（U一S）0裂纹稳定dAd.-7T（U-S）0裂纹不稳定dA以平面应力为例，来考虑临界状态：dA(U-S)=0,即d二二2a2dA(4EB22二二4EBA-2=0，（式）注意：这里的仃为设计应力，此时我们可以得到断裂强度（即临界应力）为:J2E1ana同时：也可以给出裂纹的临界尺寸:2Eac2、E四E、从INE'从这里将G府th理论得到的。和刖面的得到的回一吏一£亘做一比较，两式左边相同，所以:一1+2归P兀结论：当裂纹尖端的曲率半径满足

10、”丁优时，两种结果相当近似，往往把满足该条件的裂纹成为Griffith裂纹缺点：Griffith理论研究的仅限于材料时完全脆性的情况，而绝大多数金属材料断裂前裂尖存在塑性区域，不能应用该理论。7、Orowan理论在Griffith理论提出30年之后，Orowan对金属材料裂纹扩展的研究发现，提供裂纹扩展的弹性应变能不仅用于形成新的表面，还用于引起塑性变形所需的能量，即“塑性功”。塑性功率：裂纹扩展单位面积时，内力对塑性变形做“塑性功”：称为“塑性功率”，用表示。则总塑性功为a=2A。据此可得:2EB得临界应力及裂纹临界尺寸ac=2E()简化：对于金属材料，通常r比大三个数量级，因而可忽略不计。

11、因此上面的式子可以写为:临界应力二aac2E、-t-及裂纹临界尺寸ac=2E小结:理论断裂强度推出Griffith断裂极限Orwan断裂极限a二叵c44a*仃cJa兀a2ET仃c;VVnai得出断裂强度与a2成反比解释了玻璃、陶瓷等脆性材料的断裂。该理论考虑的裂纹在犷展过程中的塑性功，适用于大多数金属材料的断裂分析注：这些是基于平面应力问题，对于平面应变问题，只需将E变为即可。8、能量释放率及其断裂判据从能量守恒和功能转换关系来研究裂纹扩展过程，由此可以更清楚地揭示断裂韧性的物理意义。断裂韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈

12、大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大；当给定外力时，若材料的断裂韧性值愈高，其裂纹达到失稳扩展时的临界尺寸就愈大。设有一裂纹体，其裂纹面积A,若其裂纹面积扩展了dA,在这个过程中载荷所做的外力功为dW,体系弹性应变能变化了dU,塑性功变化了dA,裂纹表面能增加dS。如果不考虑热功间转换，则由能量守恒和转换定律，得合外力所做的功等于系统内能的改变量。dW=dUddS式中dA与dS表示裂纹扩展dA时所需要的塑性功和裂纹表面能（对于金属材料，通常r比大三个数量级，S可以相对于A项略去不计），它们可以视为裂纹扩展所需要消耗的能量，也即阻止裂纹扩展的能量。记裂纹扩展dA时弹性系统释放（耗散）的能量（势

13、能）为-d。=dW一dU,则有-d-二dW一dU二ddS裂纹扩展能量释放率：定义裂纹扩展单位面积弹性系统释放的能量为裂纹扩展能量释放率，用G表示，则有一:二W:UG=:A:A:AB,裂纹长为a,则dA=Bda,上式变为:B:a它表示系统势能的减少，假设裂纹体的厚度为裂纹扩展阻力率：定义裂纹扩展单位面积所需要消耗的能量为裂S纹扩展阻力率，用R或Gc表示,则R=Gc=二*/,则材料一定，上述R或Gc为常数，称为材料的断裂韧度。可实验测得。当G达到Gc时，裂纹将失去平衡，开始失稳扩展。所以能量释放率断裂依据为G=Gc9、G的表达式（一）恒位移情况2a乍用，产生位移AM.他肩弗SI系统uTJdA=0,

14、dW=0>以Gicn4一（:UMF:Ua定上下7系统释放的应变能用于推动裂纹扩展，因此,裂纹扩展的能量释放率就是弹性体的应变能释放率。cP,一1在线弹性情况下：U=2P4,又知411o-PcdPP2dc式中c为弹性体的柔度，它是裂纹长度a的函数，即c=c（a）。1_1_则dU=-Pd-dP=22d=PdccdP因此断裂韧度可计算为：C_三一二02上02上G|-（）-P-P:A:A2:A2B;a10、G表达式（二）恒载荷情况弹性体受不变的载荷P作用，裂级拼展位移变化为变能的变化为11dU=PdP(Pdc22I尸屏）可止7载荷不变（dP=0）,外力功改变为dW=Pd-P2dc=2dU因此断裂

15、韧度可计算为G1二:W:UjU、1:c=-=()p=-PA:A:A:AP2A1P2二2B:a小结:恒位移情况恒载荷情况_UcUGi-(0AAX1 2cc1r2WcPP2 S2B3_W.cWeUeUGi;二=()p方A汕cAcA12起1y起PP2S2Bca比较位移恒定与载荷恒定情况下推导的断裂韧度，发现：C二/U、JU、1c2：cGI=-（）=（）p=P1:AA：A2B2a该式表明：恒位移或恒载荷情况下，Gi可以有统一的表达式，它反映了裂纹扩展能量释放率与试件柔度之间的关系，成为Irwin-Kies关系。11、平面问题（应力应变与z轴无关，只是平面x,y坐标的函数）'平衡方程（不计体力，

16、应力之间的关系）平面问题的基本方程几何方程（应变-位移关系）物理方程（应力-应变关系）俩个平衡方程：CTX=0三个几何方程:v:yYxyU£V三个物理方程:VxyGxy用应力表示的相容方程:V2（*xy）=。在弹性力学中，引入艾里应力函数中，_d'（p_6'（p_6'（pcr=-b=dy'ox'rdxdy使得应力函数中满足相容方程（协调方程）、应力边界条件和位移边界条件C=0（双调和方程）平面应力（应力二维仃z=0）与平面应变（应变二维w=0）问题的异同应力、应变、位移的差别。12、复变函数求解平面问题很多带裂纹的弹性体问题，用复变函数解决更方

17、便。定义一个应力函数Z（Z）=QZ+iimZ,其中z=x+iy:Z若Z为解析函数，那么导数立必定能够确定从而导出Cauchy-Rieman僚件:“mZX采用Westergaurd应力函数，中ReZyImZ,_,dZ-dZvdZ其中=Z,-=Z,=Zdzdzdz根据Cauchy-Rieman访程有22ReZ='LZ说明Westergaurd应力函数*自动满足协调方程得应力分量：X二ReZ-yImZ=ReZyImZxy=-丫将应力分量代入物理方程，并利用几何方程，可得平面应变：u=(1-2尸)R2-“石I平面应力：«二(1-GV-(I+v)"eZV=+(1+Gy兄Z13

18、、I型裂纹fnn'tmttMNMMl*7如图考虑一个无限大平板，裂纹长2a,在无限远处作用双向均匀拉应力(T。此问题边界条件：在裂纹上无外力作用，即在y=0,|x|<a处,仃y=Ky=°；在无穷远处，即|z|t8处，仃x=0y=仃产xy=0。选取函数Z(z)为Z(z)=2=Z-a此函数满足边界条件。为方便计算，坐标代换：=z-2,即2=2+2;二aJ2a相当于把坐标原点移在了右顶点上。所以：二a/+2a；在裂纹右尖端附近，即当向T0时，f(f)有极限值，并等于一常数。令l1叫”画zO其中Ki称为应力强度因子。应力强度因子是表征裂纹尖端附近应力场的一个有效参量，可以作为判

19、断裂纹是否将进一步进入失稳状态的一个指标。在裂纹尖端附近，向在很小的范围内，K为K=lim2Z代入Zg冲得ki=Nm匹zs）是在裂纹尖端处存在的极限；若只考虑裂纹尖端处附近的一个微小区域，则近似地成立以下关系:K厂回Tz(0即Z(f)=.有以极坐标表示复变函数%=rei71=rcos-isin1考虑至Ue±*=cos(n)±isin(n),贝Ucos-isin:2dZKd2、2二31cos并考虑到y=rsin日,便得到裂纹尖端附近应力场和位移场表达式cos-1-sin*sin.2-r2_2口33cos1sin,sin2_22Txy一cos-sin一*sin3口(式)xzyz

20、%（仃x+0y）（平面应变）z=0（平面应力）对于无限大板中心裂纹受双向拉应力作用情况，有对于I型裂纹，。丫是关键性的应力，在裂纹延长线上，9=0,则13、II型裂纹。II型裂纹问题所受的是均匀剪应力作用，如图所示。边界条件：在裂纹面上无外力作用，即y=0,x<a,应力为0;无穷远处，只有剪应力作用。选取满足边界条件的用力函数为:Zz1z2-a2Z为方便计算，坐标代换：、=z-a,即z=+a；相当于把坐标原点移在了右顶点上。所以:2a】22二2a1式中f；2aL2在裂纹右尖端附近，即当FL0时:ZfKZTim1一1>02-'22二攵1得KI=ljm2,八社工仁+a);-则在

21、裂纹尖端有Kn=lim(2芯yr=t5aI-L0尼/十2a：14、田型裂纹。III型裂纹问题与I、II型不同，它是反平面问题。裂纹面沿z轴错开,只有z方向有位移选取满足边界条件的函数为z为方便计算，坐标代换：巴=2-2,即2=+2;12-2相当于把坐标原点移在了右顶点上。所以:a二一2a匕在裂纹右尖端附近，即当FCo时:K!112.21得Kiil=l四（2芯叫1；,以f+a）则在裂纹尖端有kk=lim（2芯e1IX。上仁+2a）E15、应力强度因子断裂判据参量K、KjpK分别称为I、H、m型裂纹尖端应力场强度的因子，简称应力强度因子。应力强度因子是表征裂纹尖端附近应力场的一个有效参量，可以作为

22、判断裂纹是否将进一步进入失稳状态的一个指标。它是控制了裂纹尖端应力、应变场，是表示场强的物理量。在工程构件内部，I型裂纹是最危险的，实际裂纹即使是复合型裂纹，为了更加安全也往往把它看作I型裂纹处理，因此，我们的重点将是I型裂纹。一般来说，应力强度因子可写成如下形式：K=gJjrn式中a名义应力（裂纹位置上按无裂纹计算的应力a裂纹尺寸；由此同k乘海褪人葡舞弊树纹柒禧舞翱祠f大，当K增大到足以使裂纹前端材料分离从而裂纹发生失稳扩展时，就称为到达临界状态。标记该临界值为Kc,则该临界值表征了材料阻止裂纹扩展的能力，是材料抵抗断裂的一个韧性指标，成为断裂韧性。因此,脆性断裂的应力强度因子判据可以表示为

23、KI=K(1)断裂韧度Kc与试件厚度B的关系般随材料厚度B的增加而下降(2)断裂初度Kc与材料屈服强度的关系对于某些国属材料1屈服强度增高瞰裂韧度会有所下降(3)断裂韧度Kc与温度的关系降低材料温既往会增加材料强度，而降低材料的断裂韧度实验表明：材料的断裂韧度还依赖于温度、加载速度、环境、金属合金纯度以及裂纹尖端区域的冶金性质。如：提高金属合金纯度,对强度影响不大，但往往能提高断裂韧度。应力强度因子K及断裂韧度的量纲为方肽度】；，工程单位kg/mm：,国际单位MN/'m1或MPa而。建立了断裂判据，就可以分析问题了。但应用“K判据”有2个基础工作：1、掌握构件的“伤情”；2、测出材料的

24、断裂韧性Ke值应力由断裂韧性公式可知，临界拉应力:裂纹临界尺寸:16、深埋裂纹问题处理Gree活口Senddo噌求解无限大体中的椭圆片状裂纹问题（如图）远场受垂直于椭圆片所在平面的均匀拉应力作用，椭圆片的长轴2c,短轴2a,裂纹边界点P满足方程:或用参量0表下:2Xp2cypxP=acos"yP=csiMP点的应力弓®度因子Ki求出为:K-：二a1 c.1二二1-kcos14Ek式中k222cuBEk=八1-k2sin2udu31冗当8=2或8=-3，cos9=0,此时修正系数1a.=a.H=a=.AAmax.Ek'%有最大值:当8=0或8=n，cos2=1,此时修

25、正系数%有最小值:a=a-=aBBmin1-k2Ek可以做如下讨论:31所以:（1）在a=c（园片状裂纹）时，E（k）=3,此时园片状裂纹前缘各点处的应力强度因子Kc据相等。当caa或t0时E(k)=1,“=Vsin9c故有KI二Js"仃4a；在日=；即椭圆短轴端点处，a=Jsin®=1,Kc有最大值为k。而。这说明当0时，无限大体内的椭圆片状裂纹可以近似的按无限大体内的中心贯穿裂纹来处理。17、表面裂纹问题处理rrnr工程上遇到的更多为表面裂纹,L1割01般做法是根据前述无限大体中椭圆片裂纹的解经过修正近似处理，以下我们来看其主要步骤：(1)假想垂直于椭圆裂纹面、并且过椭

26、圆长轴的平面将体截开。需设置修正系数M1,M1的值采用二维半无限大平板自由边缘对边裂纹K的修正值1.12.于是半无限大表面半椭圆裂纹最深点A处的应力强度因子近似表达式及修正值为K=M1。'二aa=1.12进一步研究,修正系数M1的表达式如下,尤其对于2C不是很小的深裂纹M11.0+0.121-二2c(2)若裂纹背面与体表面比较接近的时候，需设置修正系数M2其表达式及应力强度因子可表示为12W.二a2M2=tana=a2WK=M1M2、.二a二M式中Mfe弹性校正因子或弹性修正系数。工程上近似计算，也常用如下公式K=1.118、K判据的工程应用实例应力强度因子：K-二a脆性断裂的应力强度

27、因子判据：K-=K例题1.确定带裂纹构件的临界载荷问题提出：已知构件的几何因素，裂纹尺寸和材料的韧性值，运用“K判据”，可确定带裂纹构件的临界载荷。例题：中心具有穿透裂纹的厚板条，远端承受拉伸作用，板的宽度为200mm,裂纹长为80mm。板的材料为铝合金，其K2=39MNm(-3/2),计算此半条的临界载荷。裂纹F解：查附录C-3-1,得集中因子的几何形状因子为：支1W,二a5tanlb：aW式中a为裂纹半长度，W为板宽£1=q-au38例题2.确定容J裂纹看8器V°,康得等)问题提出：当给定戢荷M科料的断裂韧性值以及裂纹体的几何形态以后，运用“K判据”，可以确定裂纹的容限

28、尺寸，即裂纹失稳扩展时对应的裂纹尺寸。例题：某种合金钢在不同回火温度下，测得性能如下:设应力强度园子为K一1堆;an；.且互作应力0.5试乘哪曲败曲F构伟得容便迎映卡,au=IOOMN/m2o解：由应力强度公式，得屈服极限r焊舞热影"区MN“：RMW/nJ：210046,5材料8170077.5当2754t回火时，&=(uxq55xI780)-0.OOO9m=0.9而从强度靠标着回275。回火温度的令金钢必喻.1600c回火温度的合金钢材；但从断裂性能指标追期需0V"向拆超的合金钢材比275c回火温度的合金钢材好得多。事实上，构件中0.9mm的裂纹是难以避免的，因此

29、从安全考虑，应选用600c的回火温度的合金钢材。例题3.评定与选择材料问题提出：按照传统得设计思想，选择与评定材料主要着眼屈服强度或强度极限，对于交变应力作用则选择持久强度，但按抗断裂观点，应选用KIC高得材料。不少时候材料屈服强度越高KIC值就越低，所以评定与选择材料应该两者兼顾，全面评价。例题：现设计一高强度材料的压力容器，设计许用应力匕1=1400MN/m2,采用的无损探伤设备只能发现大于1mm深度的裂纹。因此可以假定容器内壁焊缝热影响区沿母线方向（最不利位置和最木，方向孝在深度"a=1mm1.长b)c=2a的及面/裂纹。现有两种材料，力学性能如表。全面考虑，以选择何种材料为佳

30、？“、1_1J2X1400/0.001(0二店,'vT32=75MN/II12>(Kl)A解：从静强度分析：一1从断裂筋昼曲萋朔储笛附录/=C-硝吁南融)=k5l,12E?k)，材料6强度储备加=胃口嘲=1.22E(k)为第二类完整椭圆积分。由附录C-1可查得，k=1-旦i。金属材料在裂尖区不可避免存在一个小塑性区，在塑性区里应力有松弛，考虑这种作用效应，a可修正为：取许用应力为容器的工作应力，即仃=L1=1400MN/m2,则0=e*产_0212(2)/0=e(O2-0.212(2)2=/E32由此可见,胡知萧勤强度要求,又有“而森裂育许疝窠荻按照传统新国想而不从断裂力学观点分

31、析，选用-A对则岬毅会导致容器低应力脆断19、G与K的关系从能量观点给出了裂纹失稳扩展得判据G=G§,从裂纹尖端应力场分析，引出了裂纹失稳扩展得另一判据K=Kc。这两个判据描述得是同一问题，它们之间满足关系：G=2（平面应力）g（i-v2）Ki（平面应变）或1Ki=（EGi（平面应力）1旧=念2-：（平面应变）在裂纹失稳扩展的临界状态Gc=Kc（平面应力）Gc=（1-v2（平面应变）1Kf=（EGf2（平面应力）1勺=修'2（平面应变）尽管有两种断裂判据，但在工程应用上，一般多采用“K判据"因为K因子得计算比较方面，而Ke得测量也比较简单，因此，在线弹性断裂力学中，

32、“K判据”是我们讨论得重点。20、屈服判据材料力学中四大强度理论：1 .最大拉应力理论：认为最大拉应力是引起断裂的主要因素。二ri二；L一"n2 .最大拉应变理论：认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素。二r2-1-203On3 .最大切应力理论（Tresca）:认为最大切引力是引起屈服的主要因素。二3-1-03二13I34.畸变能理论（VonMises）:认为畸变能密度是引起屈服的主要因素。仃r4=J（仃1-仃22+此-仃31（仃3-仃1fLb从前面的讨论，对于I型裂纹尖端，从公式、=各可知，当rT02二r时，”6,即在裂纹尖端存在奇异性。但对于实际金属材料来说，当裂纹前端正应力达

33、到材料的有效屈服应力，材料就要屈服，所以在裂纹尖端会产生一个微小的塑性区域，从而使裂纹尖端区有应力松弛。对于平面问题，应力分量为:。3=0平面应力。3=以。1+。2）平面应变对于I型裂纹，有前面讨论的式，得主应力:1K61%=-cos1+sin-i一时212K。2'cos-1-sin-12我所5!2在裂纹延长线上（即X轴上），0=0则Ki.2二r仃3=0（平面应力），。3=山仃1十仃2）（平面应变）我们把塑性区的最大主应力。1叫作有效屈服应力，用仃ys表示。根据最大剪应力屈服判据，得ys=1-2对于I型裂纹（平面应变）（平面应力）二ys=2.2c（平面应变）21、裂纹前端屈服区的大小在裂纹延长线上（X轴上），日=0,最大主应力仃1=4.2二r仃y,叫随着坐标r而变化（如图），r越小，值越大，当而。y=4=4s时，材料就屈服。.2二r°（平