精簡疲勞破壞力學與應用(第1版)

作者於1985年完成學業返國，在新成立的國立中山大學機械系任教，主要專長為複合材料之疲勞破壞，講授的課程則分別為破壞力學、疲勞力學及複合材料力學，碩博士班同學們必須每學期修習一門課，同時也在進行相關的研究，包含實驗工作及數值解析。碩士班同學上課兩年中每學期修習一門課，在一年半即可修完，另外一學期選修其他固力課程，認真努力兩年即可完成碩士學位。博士班同學必須滿足其他規定的要求才可畢業。基於30多年教學及研究經驗，在大學部先打好靜力、材力及動力基礎，在研究所先修破壞力學，再修疲勞力學，因為在疲勞力學中引用了許多破壞力學中的理論及公式。
在材力、高等材力及彈性力學中所謂破壞（Failure）意指結構物中某一點的應力，達到降伏應力（Yielding Stress），並不考慮塑性變形。降伏應力可經由完好的試片拉伸實驗之應力應變曲線，依ASTM規範明確地獲得。然而，在破壞力學（Failure Mechanics）中的破壞是指含有裂縫的元件，承受外力作用造成整個結構物之破壞，兩者中文字相同，但意義完全不同。
接著談談疲勞（Fatigue），常常聽到人言，一直做某件事，時間久了，覺得很疲勞，包含了精神上煩躁及身體上之疲勞。至於工程上的疲勞，則指結構物長期承受外力作用，例如：工廠倉庫之貨物存放及進出，除了結構物本身自重，還有貨物之活載重，都會影響其壽命。另外，大家熟知現有一根鐵線，沒有任何切割工具可切斷，會用兩手上下不斷的彎曲，最多數十次後，鐵線斷成兩段，摸一下斷口處感覺很燙，實因為彎曲作用上下兩面不斷由拉伸應力轉換成壓縮應力，如此反覆作用，是在消耗材料之應變能，加上部分之熱能，才有熱感及斷裂。
根據統計資料，過半數的機械破壞（Mechanical Failure）是由疲勞造成的[1]，這些非預期的破壞（Unexcepted Fracture）對人類的生命財產損失影響重大。雖然至今大多數的設計，皆為彈性方式，並且考慮加上安全係數，然而，在長期負載使用下，作用力受自然災害，如地震、颱風及環境因素，如鏽蝕、腐蝕等不可抗拒之力量，合併作用，會使壽命減少，以致突然破壞，令人防不勝防。
在抵抗疲勞破壞相關的歷史發展過程概述如下：首先考慮到設計尺寸較大且材料性能較強之零配件來組構成所需的結構物，雖然發現其機械性能有所增長，但是重量增加許多，成本提高很多，變得笨重又太貴，有些不太切合實用，這就是早期的疲勞極限（Fatigue Limit）無窮大的做法。接著開始不斷的改進尺寸及材料性能，隨著材料科學之迅速發展，而有突破性的進程。
工業革命之後，蒸汽機的發明及火車鐵軌的建造，產生了許多事故，正本清源『疲勞』名詞是由反覆應力（Repeated Stress）不斷作用造成破壞，而被提出，主要係火車鐵軌肩部的斷裂，那時尚未認知應力集中，後來將尖銳角度修平緩，則有所改進，時間在1840 至1850 左右，1860年，德國科學家August Wohler[1] 探討鐵軌破壞，進行了有系統的反覆應力作用的疲勞實驗，畫出了應力—壽命曲線（S-N Diagrams），並提出疲勞極限及強調最大作用應力並非主要因素，而是應力範圍（Range of Stresses），亦即最大應力減去最小應力，同時其平均應力為首要參數。舉例說明：某人高血壓150 低血壓90，平均血壓為120，大於正常人的高血壓110，表示有高血壓的疾病，因為血管中一直保有120 血壓，容易造成中風。
在1900 年之後，光學顯微鏡誕生，開始了微觀探討疲勞的機制，1924 年Gouht 與其同僚在微觀機構上做出重大貢獻[2]，1927 年Moore及Kommeos 在美國發表金屬疲勞的著作[3]。之後，元件含孔之應力集中對疲勞壽命之影響亦引起重視，其改進的方法，也陸續發表，期望能有效地阻止裂縫的生長。
另外，1920 年Giffith 發表了玻璃的脆性破壞的理論計算及實驗驗證[4]，提出了公式 = constant，其中σ 為平均應力，a 為裂縫尺寸，這經典創新的成果奠定了破壞力學基礎，被稱為破壞力學之父。在第2 次世界大戰期間，美國建造多艘自由號戰艦，因鋼材質差，含有已存在的小裂縫，加上鑽孔切割及焊接造成應力集中，半數以上戰艦嚴重斷裂破壞而無法使用，這些皆為脆性破壞。1924 年Palmgren[5] 提出線性疲勞損傷累積破壞規範，1945 年Miner[6] 將其公式化，故被稱為Palmgren-Miner 法則。1950 年左右在疲勞破壞有重大突破，除了有電子顯微鏡可觀看斷面的細節機理，還有水冷式閉合迴路動態疲勞試驗機的產生，可以有系統的長期使用，完成疲勞實驗。同時Irwin[7] 提出了應力強度因子（Stress Intensity Factor, KI）建構了線性彈性破壞力學（Linear Elastic Fracture Mechanics, LEFM），以及應用到疲勞裂縫成長壽命的預測。最後，Paris[8] 在1963年發表疲勞裂縫延伸速率（Fatigue Crack Growth Rate, da/dN）可以用應力強度因子範圍（Stress Intensity Factor Range, ΔKI）來表示，此為著名的疲勞裂縫成長公式。

作者於1985年完成學業返國，在新成立的國立中山大學機械系任教，主要專長為複合材料之疲勞破壞，講授的課程則分別為破壞力學、疲勞力學及複合材料力學，碩博士班同學們必須每學期修習一門課，同時也在進行相關的研究，包含實驗工作及數值解析。碩士班同學上課兩年中每學期修習一門課，在一年半即可修完，另外一學期選修其他固力課程，認真努力兩年即可完成碩士學位。博士班同學必須滿足其他規定的要求才可畢業。基於30多年教學及研究經驗，在大學部先打好靜力、材力及動力基礎，在研究所先修破壞力學，再修疲勞力學，因為在疲勞力學中引用...

第1章　前言

【第一部分　破壞力學】
第2章　破壞力學（上）
1、簡介
2、裂縫尖端彈性應力場
3、應用上有限尺寸效應
4、裂縫尖端之塑性變形區域
5、平面應力對照平面應變及厚度效應

第3章　破壞力學（下）
1、能量法則（Energy Principle）
2、能量釋放速率（Energy Release Rate）
3、裂縫延伸的規範
4、柔度（Compliance）
5、J積分（J Integral）
6、裂縫尖端開口位移（Crack Tip Opening Displacement）

【第二部分　疲勞力學】
第4 章　基礎疲勞力學
1、簡介
2、 金屬疲勞的破壞斷面（Cross Sections of Metals by Fatigue）
3、疲勞機制（Fatigue Mechanisms）
4、疲勞設計方法（Fatigue Design Methods）
5、疲勞設計規範（Fatigue Design Criteria）
6、 等應力振幅的疲勞實驗（Constant Amplitude Fatigue Tests）
7、 應力－壽命曲線（Stress-Life Curve, S-N）
8、平均應力效應
9、應變－壽命曲線（Strain-Life Curve）
10、疲勞裂縫延伸（Fatigue Crack Growth）
11、鑽孔（Notches）

第5 章　疲勞力學新研發趨勢
1、 變化振幅負載（Variable Amplitude Loading）
2、 損傷累加方法（Damage Summing Methods）
3、振次計算（Cycle Counting）
4、雨流法振次計算（Rain Flow Counting）
5、 在變化作用力振幅下的裂縫延伸（Crack Propagation Under Variable Amplitude Loading）
6、在變化振幅作用力下裂縫成長預測方法

【第三部分　應用實例】
第6 章　工程應用
【例題1】
【例題2】
【例題3】
【例題4】
【例題5】
【例題6】
【例題7】
【例題8】
【例題9】
【例題10】
【例題11】
【例題12】
【例題13】
【例題14】
【例題15】
【例題16】

參考文獻

第1章　前言

【第一部分　破壞力學】
第2章　破壞力學（上）
1、簡介
2、裂縫尖端彈性應力場
3、應用上有限尺寸效應
4、裂縫尖端之塑性變形區域
5、平面應力對照平面應變及厚度效應

第3章　破壞力學（下）
1、能量法則（Energy Principle）
2、能量釋放速率（Energy Release Rate）
3、裂縫延伸的規範
4、柔度（Compliance）
5、J積分（J Integral）
6、裂縫尖端開口位移（Crack Tip Opening Displacement）

【第二部分　疲勞力學】
第4 章　基礎疲勞力學
1、簡介
2、 金屬疲勞的破壞斷面（Cross Sections of Metals b...