断裂力学

固体力学的一个新分支，它是研究材料和工程结构中裂纹扩展规律的一门学科。所说的裂纹是指宏观的、肉眼可见的裂纹。工程材料中的各种缺陷可近似地看作裂纹。断裂力学的基本研究内容包括：①裂纹的起裂条件；②裂纹在外部载荷和(或)其他因素作用下的扩展过程;③裂纹扩展到什么程度物体会发生断裂。另外，为了工程方面的需要，还研究含裂纹的结构在什么条件下破坏；在一定载荷下，可允许结构含有多大裂纹；在结构裂纹和结构工作条件一定的情况下，结构还有多长的寿命等。

在断裂力学中，按照裂纹表面上质点的相对位移，可将裂纹分为三种基本类型(见图)，分别称为张开型裂纹、滑开型裂纹和撕开型裂纹，或分别称为Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅲ型裂纹。物体中任一裂纹都可看作是这三种基本类型裂纹的组合，而断裂力学正是在研究这三种基本类型裂纹的基础上研究一般裂纹的。

简史  断裂力学是20世纪50年代开始形成的。随着航天工业等的发展出现了超高强度的材料，对于这种材料，传统的强度设计已不能满足需要。传统的强度理论把材料和结构看成是没有裂纹的完整体。实际材料和结构中存在着裂纹，但如果材料的强度较低，裂纹的存在对结构安全的影响通常并不明显，由于在设计中采用了一定的安全系数，设计也就能够满足工程需要。但对于高强度材料或处在某些条件下的材料，裂纹的存在会使情况发生根本变化，这就必须考虑材料对于裂纹扩展的抵抗能力，为此引进了材料的断裂韧性这一力学概念，并出现了断裂力学。

在断裂力学出现以前，由于生产知识的积累，人们曾总结出一些材料的韧性指标，如冷脆转变温度、冲击能量等，它们都是一些定性的经验的参量，只能在一定条件下用于评定材料，而不能用于设计。在美国的G.R.欧文等人的努力下，逐步建立起线弹性断裂力学并进而发展出弹塑性断裂力学，提出了一些描述裂纹扩展的参量，如应力强度因子、J 积分、裂纹张开位移(见COD法)等，它们可以定量地用于设计。将它们和传统的强度理论结合起来，可以设计出更安全的工程结构。因此，在航天、核电工程等方面断裂力学的应用越来越广泛。

另一方面，由于裂纹顶端的一个很小的区域对于裂纹扩展规律有重要影响，因此，裂纹扩展同材料的一些微观特性，特别是冶金性质(如晶粒大小、二相粒子、位错等)关系极大，这就要求断裂力学在研究中把材料工艺学、冶金学、金属物理学等方面的成果同力学结合起来。随着断裂力学的发展，微观裂纹也已进入研究范围。在研究裂纹扩展规律时，也开始涉及裂纹产生的原因。

研究内容  断裂力学的研究内容按学科可分为：

①线弹性断裂力学 它在弹性力学线性理论的基础上研究脆性材料中的裂纹扩展规律，并以应力强度因子和能量释放率等作为控制裂纹扩展的参量。脆性材料是指在裂纹扩展直至最后破坏的过程中，其内部出现较小塑性变形的材料。(见线弹性断裂力学)

②弹塑性断裂力学 它在弹性力学和塑性力学的理论的基础上研究韧性材料中的裂纹扩展规律，并以裂纹张开位移和 J积分作为控制裂纹扩展的参量。韧性材料是指在裂纹扩展直至最后破坏的过程中，其内部出现较大塑性变形的材料。(见弹塑性断裂力学)

③断裂动力学 它研究高速加载或裂纹高速扩展条件下的裂纹扩展规律，在研究中须考虑物体的惯性。(见断裂动力学)

另外，断裂力学的研究内容中还有一些特殊问题，如：①三维断裂力学问题：目前断裂力学中已取得的成果多限于二维(或平面)问题，而三维问题比较复杂，但却吸引了学者们的兴趣；②应力腐蚀问题：指在环境介质(腐蚀介质和某些非腐蚀介质)和拉应力共同作用下材料的断裂问题；③疲劳裂纹扩展问题：疲劳是在交变载荷作用下材料中裂纹形成和扩展的过程，断裂力学主要用于研究疲劳裂纹的扩展问题；④非金属材料的断裂问题；⑤其他工程应用问题。