断裂力学的发展历程及动态断裂研究概述

断裂是材料或构件最危险的失效形式，在很多情况下可能造成灾难性的后果。因此，研究材料或构件断裂的机理及规律，控制和减少断裂事故的发生，一直是工程技术人员和材料科学工作者的重要研究课题之一。

有关断裂问题，有确切记载的是由15世纪杰出的工程师和艺术家达·芬奇在实验中发现，即在直径一定的情况下，铁丝的断裂载荷与其长度成反比，但当时没能做出合理的解释。当然，目前这个现象很容易理解。由于当时生产铁丝的工艺水平较低，铁丝越长，其内部存在缺陷（例如微裂纹）的可能性越大，因而其强度也越低。1921年和1924年，英国的Griffith对脆性材料的断裂理论做出了开创性工作^[191，192]。他在尝试解释玻璃的实际强度远低于理论强度的原因时指出，玻璃内部存在的细小裂纹导致玻璃在低应力下发生脆断。他从能量平衡的观点出发，提出了裂纹失稳扩展条件：当裂纹扩展释放的弹性应变能等于新裂纹形成的表面能时，裂纹就会失稳扩展。Griffith理论的成功在于把宏观缺陷在几何上理想化之后，把它作为连续介质力学中的一种边界条件，而连续介质力学方法在分析含缺陷的材料强度和韧性问题上仍然有效，所以Griffith是连续介质力学断裂理论的奠基人。尽管Griffith理论对脆性材料较合适，应用于金属材料时误差较大，但是其在断裂力学的发展史上是很重要的一步。然而，Grif-fith理论在发表后的20多年里一直未被人们重视。首先，在那个时期，表现为纯脆性断裂的工程材料并不多；其次，对广泛使用的大多数金属材料，Griffith理论不能得出令人满意的预测。因此，对断裂问题的研究，在那段时间里也只是出于科学上的兴趣而未能应用于工程设计。

20世纪40年代以后，随着现代生产和科学技术的发展，新材料、新产品和新工艺不断出现，许多按常规设计思想设计出来的符合常规标准的设备构件发生断裂事故的报道不断出现。例如，在第二次世界大战期间，美国近500艘全焊船中发生了1000多起脆性破坏，其中238艘完全报废，有的甚至断成两截。另一个典型事例为20世纪50年代美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸，其使用的材料为屈服强度等于1372MPa的D6AC钢（相当于我国的45CrNiMoVA钢），而爆炸时其实验应力仅为其许用应力的一半。其余还有桥梁的断裂、飞机失事、锅炉爆炸等，相当多的事故均发生于载荷低于材料屈服强度的情况下。为了分析这些事故的原因，断裂研究重新引起人们的极大兴趣^[193，194]。为了将Griffith理论转化为一门工程科学，1948年Irwin^[195]和Orowan^[196]各自独立地将Griffith理论加以补充，以使其适用于金属材料。1957年，Irwin^[197]进一步提出了应力强度因子的概念，巧妙地将能量释放率与一个更便于计算的裂纹尖端的参量——应力强度因子联系起来，随后又在此基础上形成了断裂韧度的概念，并建立起测量材料断裂韧度的实验技术，从而奠定了线弹性断裂力学的基础。目前，线弹性断裂力学已经发展得比较成熟，并在生产中得到了普遍应用^[198]。

线弹性断裂力学着重研究裂纹尖端附近具有小范围塑性变形的情况。然而，随着生产技术的发展，许多工程结构由于材料的韧性足够大，在载荷增大时，伴随着裂纹扩展的塑性区已经达到裂纹尺寸、试件尺寸的同一数量级。显然，小范围塑性变形条件已不能满足要求，线弹性断裂力学理论已不再适用，必须发展弹塑性断裂力学理论^[199]。由于用弹塑性断裂力学理论处理断裂问题比较困难，所以这部分内容的发展远不如线弹性断裂力学理论完善，目前对这类问题的处理方法一般是将线弹性断裂力学的概念加以延伸，在实验的基础上提出新的断裂韧度参量。这些参量可分为两类：一类是将能量释放率G的概念加以延伸，得到J积分的概念，从而得到J判据^[200-202]；另一类是从裂纹周围的应力及应变分析出发，以裂纹张开位移（Crack Opening Displacement，COD）作为判据^[203，204]。近年来，弹塑性断裂力学中裂纹尖端场和扩展问题受到一些学者的重视^[205]。目前，弹塑性断裂力学方面的研究还不是很成熟，依然是断裂力学研究中的一个重要课题。(www.xing528.com)

对动态断裂的定量分析是由Mott^[206]在1948年做出的，1951年Yoffe^[207]提出了断裂动力学的解。此后，研究者围绕动态裂纹的扩展、动态裂纹的止裂、动态能量释放率、动态断裂韧度等课题进行了大量的理论分析和实验工作。迄今为止，断裂动力学仍是一门很不成熟的学科，例如它不能处理加载速率很高的动态断裂现象，也不能处理裂纹传播速度较大的扩展裂纹。

在断裂力学发展的初期和以后相当长的一段时间内，研究重点都是针对金属材料的。由于大量非金属材料逐渐引入工程结构，人们也试图将断裂力学理论扩展到非金属材料、复合材料结构的分析中去。近年来，对纤维增强复合材料、高分子聚合物、陶瓷材料以及岩石等的断裂力学研究，日益引起研究者们的兴趣，并取得了很多成果。近年来，将概率和统计学与断裂力学结合形成了概率断裂力学分支，应用这种理论和方法进行耐久性和可靠性设计[208]，成为机械产品安全性和可靠性的重要保障之一。目前，细观力学和纳观断裂力学呈蓬勃发展趋势^[209]。但是，断裂力学还是一门年轻的学科，它还很不成熟，还有大量有待深入研究和探讨的问题。