五、问答题①分别叙述应力强度因子和断裂韧性的物理意义及其应用。为什么要用平面应变的断裂韧性来评定材料抵抗裂纹扩展的能力？答：kI是反映裂纹尖端附近应力场强弱程度的一个物理量。kI的大小取决于外力、构件和裂纹的几何形状和尺寸。在线弹性条件下，典型裂纹试样的kI是可以计算的。如果裂纹作满足上述条件，裂纹就不会扩展，构件就不会发生低应力脆断。断裂韧性KIC反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的一种力学性能指标。两者仅仅是数值上等同，但kI和kI C物理本质/意义完全不同。因为对选定材料而言，kI是可变的而kI C是不变的、是材料固有特性。当外力、裂纹尺寸或构件的几何形状等任一条件发生变化，都会使kI发生相应的变化。但kI的变化不是无限的，这种变化受到________的限制，当kI增加到某个临界值时，裂纹就会失稳扩展引起脆断。因此它们的重要应用是作为裂纹体断裂判据：KI=KIC这一表达式与屈服判据=S相似，左边为裂纹顶端的应力强度因子（屈服判据中为试样上的拉应力水平），右边为材料本身固有的性能。实际上是用应力场强度因子的临界值表示材料的断裂韧度。如同用试样中应力水平的临界值表示材料的屈服强度。可以确切地回答裂纹在什么状态时失稳。因此，可以对结构或零件的断裂进行定量的评定，可靠地把握结构的安全性。实验证明，裂纹尖端如果处于平面应变状态，则断裂韧性的数值最低，称为平面应变断裂韧性，用kIC表示。材料的kIC愈大，抗脆断的能力愈高。根据kIC可建立裂纹构件在平面应变条件下安全工作的判据：kI≤kIC②与传统材料力学的强度设计相比，断裂力学解决了哪些问题？答：按照传统力学设计，只要求工作应力max小于许用应力[]，即max≤[]，就被认为是安全的。而[]，对塑性材料[]=s / n．对脆性材料[]=b/ n。其中,n为安全系数，n＞１。这种设计思想成功地应用了很长时间。但经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。因为传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至微观裂纹。在实际材料的强度只达到其化学键强度的一小部分的这个世界里,真正控制着机械强度的是材料的弱化机理，而不是键的强度。事实说明，低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。所以传统力学或经典的强度理论就解决不了带裂纹构件的断裂问题。所以对上述裂纹构件，如果仅按材料力学传统的强度条件进行强度计算和设计，是不能保证安全的。断裂力学就是研究这种带裂纹材料的力学行为---裂纹扩展规律、裂纹尖端区的应力分析，解决了①含裂纹材料的实际断裂强度计算问题。②找到了一个材料固有的重要性能指标—断裂韧性KIC它反映了材料的抵抗裂纹失稳扩展能力。③建立了含裂纹构件的各种断裂判据（能量GI≥GIC、应力应变KI≥KIC），并可用于工程设计。它能告诉我们，含裂纹材料何时才会开始断裂等问题：如在给定裂纹尺寸和形状时，究竟允许多大的工作应力才不致发生脆断；反之，当工作应力确定后，可根据断裂判据确定构件内部在不发生脆断的前提下所允许的最大裂纹尺寸。