科技名词

断裂力学

fracture mechanics

定义：利用线弹性力学和弹塑性理论的分析方法，从宏观角度定量研究含裂纹物体裂纹扩展规律的一门学科。

学科：材料科学技术_材料科学技术基础 _材料科学基础 _材料物理及化学基础

相关名词：线弹性断裂力学 弹塑性断裂力学 岩石断裂力学

【延伸阅读】

固体材料的破坏过程，一个非常基础的问题，却和湍流模型并列为固体力学和流体力学的两大难题。自伽利略时代开始，无数力学人在这个问题上孜孜以求，从破坏结果到破坏过程，从宏观破坏到微观损伤，从简单的拉断、压溃到引入疲劳、腐蚀、磨损，这一问题的答案在不断被扩充。

断裂力学狭义上一般指借助连续介质力学中的线弹性和弹塑性理论，从宏观角度来研究固体材料破坏过程的所谓宏观断裂力学。它上承以屈服强度等材料指标为主的强度理论，下启以研究原子位错等晶体尺度内的断裂过程为主的微观断裂力学。尽管1920年这一学科才宣告确立，但百年的发展已使其成为解决固体材料破坏过程这一问题的重要工具。

宏观断裂力学根据材料的类型分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学，前者针对脆性材料和小范围屈服假设下的塑性材料，后者则关注大范围屈服下的塑性断裂问题。

线弹性断裂力学由英国科学家格里菲斯首创，他在1920年提出基于能量平衡的断裂准则并用以描述理想脆性材料（如玻璃）的断裂过程。随后美国科学家欧文在此基础上提出了能量释放率，它是裂纹扩展单位面积所需要消耗的能量，并将应用对象扩展到工程准脆性材料（如铸铁）。同时，欧文还证明了裂纹尖端的应力场和位移场可以用一个与能量释放率有关的单参量表征，这就是后来著名的应力强度因子（一种对应力大小的度量）。如今，近10厘米厚的应力强度因子手册已是工程师的必备之物。

随着材料的边界扩展到钢材等塑性材料，线弹性力学已不再适用，英国科学家威尔斯提出的裂纹尖端张开位移吹响了向弹塑性断裂力学发起冲击的号角。弹塑性断裂力学的核心是由哈佛大学教授赖斯在1968年提出的J积分，它是一个围绕裂尖而与路径无关的围道（回路）积分，在某些情况下与能量释放率相等。

能量释放率、应力强度因子和J积分可以相互转化，它们共同构成了（宏观）断裂力学的核心，并作为断裂韧性指标用以评价材料的破坏，断裂力学也通过基于这些指标建立的评价体系而在工程领域大放异彩。