断裂力学的核心精神：断裂准则是其灵魂所在

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　　从大量的断裂事故中，我们大致可以判断出构件断裂是因为不可控制的裂纹迅速扩展，并最终导致构件断裂。最理想的克服这一缺陷的方法是制造没有缺陷的理想材料，并存在理想工艺，在结构加工、成型过程中也绝不产生任何缺陷。


　　这条路就像发展永动机一样渺茫，而且自然规律的脾性非常讲究适用性。比如金属冶炼，如果是纯金属一般都比较软，断不了，但是却不能作为结构承重;为了达到强度要求，可加入适量的微量元素，如铁中加入一些碳、锰等元素可成为钢，当你增加了金属刚度的时候，它又变脆，容易折断，就如前面我们提到的上世纪处至二战结束后大量的断裂事故。

　　所以材料学在高新技术领域的地位是不言而喻的，在人类历史上新材料引发的技术革命的例子也不在少数。另一方面，从材料力学特性中，我们也看到大量的“过犹不及”，做事要“适可而止”的经典桥段，这可以帮助我们解决一些精神文明建设的问题。

　　现在，问题出现了，大量的结构设计中，我们既然没有办法避免在材料加工中的原始缺陷，而由原始缺陷引起的断裂事故往往又非常严重。那么我们要如何去解决?

　　答案就是断裂力学，利用断裂力学观点进行结构设计，规避可能发生的突然断裂。一般来说，断裂力学就是研究裂纹构件断裂强度的一门学科，在于讨论含裂纹构件的裂纹平衡、稳定扩展和失稳扩展规律;以及带裂纹构件的强度;进行估计结构剩余寿命并研究延长寿命方法。这一定义侧重于断裂和止裂机理的研究，也可以从结构设计、应用特点去定义。为了描述上的方便，我们先给出两个断裂力学的概念。

　　第一个概念断裂准则，即研究在什么情况下构件断裂，什么情况下不断裂。假如我们把这个问题交给一个从未学过断裂力学，甚至材料力学的人仅凭经验去完成，应该怎么做?可能有以下几种办法：

　　1. 在载荷一定的情况下，观察裂纹发展到多大，结构断裂;
　　2. 在裂纹一定的情况下，观察载荷增加到多大，结构断裂;
　　3. 观察裂纹口张开距离，是否存在某个临界值，当其达到该临界值构件断裂。

　　如果你已经学习了《材料力学》，在这几种思路之下，我们可以借鉴一下材料力学判断结构屈服的屈服准则，写出来即为σ≤σ_s 。那么类似地，在断裂力学中，我们能不能把观察到的现象写一个类似的公式，我想前面的1，2，3基本上就可以描述的这样一个公式。如果大家不介意我随意选用一个符号，先假设在断裂力学中我们将会定义下面这样一个式子：

　　F <= Fs

　　这里F还没有明确的物理意义，你可以把它当成是你自己设定的判断结构断裂与否的指标。当然我们会在后面逐渐明晰定义式的物理意义。在这一段我们要说明定义式就是断裂准则，其应用特点和材料力学的屈服极限极为相似。


　　现在我们可以仿照材料力学屈服准则来理解断裂准则：Fs就像一样σ_s，必须是反映材料某种特性的一个常数，而F应该是反映材料在某种服役条件下的一种状态，只要这个服役状态没有超过这个常数，结构就是安全的。这个类似于σ_s 的常数Fs就是材料的断裂韧度，用来表征材料抗断裂能力的指标，是我们要给出的第二个概念。


　　断裂准则就像是断裂力学的灵魂所在，如果你能够理解断裂判据的重要性，知道断裂韧度就是量化了的材料抗断裂的一种性能表征，只要我们学习几种断裂韧度的测量和计算方法，会利用断裂判据分析问题，作为断裂力学的入门就非常容易。讲到这里，我们可以看出，断裂力学也不是很复杂，主要工作可看作是计算公式两边，并判断定义式的成立与否。这里稍微复杂一些的就是如何定义和计算公式不等号的两边?

　　实际上，断裂韧度不是唯一的，根据材料特性的不同，可以定义了多种指标，在我们的课堂中，我们将会重点对4种断裂韧度进行介绍，他们分别是能量释放率，应力强度因子，裂纹张开位移和J积分。其实这些指标的不断提出、改进，恰好体现了人类对材料断裂或结构断裂的性能认识的进步，至于它们各自的概念，我们将在以后逐一介绍。

　　需要引起注意的是断裂力学仍然是一门不断发展的学科。比如到目前为止，静态断裂力学发展较为完善，美国、中国、日本、欧洲也都有各自的材料测试的标准实验和数据库;但材料动态断裂特性研究还处于萌芽期，而随着新材料的不断出现，其断裂行为也需要作为材料的一种力学性能做进一步的研究。在以后的课堂内容中，我们将尽量以断裂力学的发展为线索逐渐展开断裂力学内容的课程讲解。

　　本文来自科学网张伟伟的个人博客。