重庆交通大学 土木工程学院 重庆市 400074
摘要：本文简单介绍了断裂力学的基本概念与基础理论。并且叙述了断裂力学的形成、应用及其发展。断裂力学是固体力学的一个分支，研究含裂纹型缺陷的物体的强度和裂纹扩展的规律，特别是非线性断裂力学近年来有大的发展。它研究在各种载荷与环境下，材料中的裂纹或空洞所引起的破坏过程特别是裂纹扩展的规律。
关键词：断裂力学；损伤力学；应力强度因子；发展过程；研究现状
引言
结构的破坏控制一直是工程设计的关键所在。工程构件中难免有裂纹，从而会产生应力集中、结构失效等问题。裂纹既可能是结构零件使用前就存在的，也可能是结构在使用过程中产生的。但裂纹的存在并不意味着构件的报废，而是要求我们能准确地预测含裂纹构件的使用寿命或剩余强度。针对脆性材料的研究已有完善的弹性理论方法，并获得了广发的应用。但对于工程中许多由韧性较好的中、低强度金属材料制成的构件，往往在裂纹处先经历大量的塑性变形，然后才发生断裂破坏或失稳等。这说明，韧性好的金属材料有能力在一定程度上减弱裂纹的危险，并可以增大结构零件的承载能力或延长器使用寿命，这也是韧性材料的优点所在。但与此同时，这给预测强度的力学工作者带来了更复杂的问题，即不可逆的非塑性变形，这也是开展工程构架弹塑性变形的原因之一。因而，裂纹的弹塑性变形研究具有广泛的工程背景和重要的理论意义。
1断裂力学的基本概念
1.1.断裂力学的分类
断裂力学根据裂纹尖端塑性区域的范围，分为两大类∶
（1）断裂力学-当裂纹尖端塑性区的尺寸远小于裂纹长度，可根据线弹性理论来分析裂纹扩展行为。
（2）断裂力学---当裂纹尖端塑性区尺寸不限于小范围屈服，而是呈现适量的塑性，以弹塑性理论来处理。
而本文研究的主要是线弹性断裂力学。断裂问题：一个物体在力的作用下分成两个独立的部分，这一过程称之为断裂，或称之为完全断裂。如果一个物体在力的作用下其内部局部区域内材料发生了分离，即其连续性发生了破坏，则称物体中产生了裂纹。大尺度裂纹也称为不完全断裂。断裂过程包括裂纹形成的和裂纹的扩展。断裂分类按断裂前材料发生塑性变形的程度可分为：脆性断裂（如陶瓷、玻璃等），延性断裂（如有色金属、钢等）断面收缩率5%；延伸率10%。按裂纹扩展路径分类可分为：穿晶断裂，沿晶断裂，混合断裂。按断裂机制分类可分为：解理断裂（如陶瓷、玻璃等），剪切断裂（如有色金属、钢等）。
按断裂原因分类可分为：疲劳断裂（90%），腐蚀断裂，氢脆断裂，蠕变断裂，过载断裂及混合断裂。
1.2.Griffith 断裂判据
Griffith断裂判据：
若只考虑脆性断裂，而裂端区的塑性变形可以忽略不计。则在准静态的情形下，裂纹扩展时，裂端区所释放出来的能量全部用来形成新的裂纹面积。换句话说，根据能量守恒定律，裂纹发生扩展的必要条件是裂端区要释放的能量等于形成裂纹面积所需的能量。
Griffith 假定 γs 为一材料常数，剩下的问题就是如何计算带裂纹物体裂端的能量释放率G。若此G值大于或等于 2γs，就会发生断裂；若小于 2γs，则不发生断裂，此时G值仅代表裂纹是否会发生扩展的一种倾向能力，裂端并没有真的释放出能量。能量释放率：能量释放率是指裂纹由某一端点向前扩展一个单位长度时，平板每单位厚度所释放出来的能量。表面自由能：材料每形成单位裂纹面积所需的能量，其量纲与能量释放率相同。
1.3.应力强度因子
裂纹的基本类型：一般将裂纹问题分为三种基本类型：
第一种称为张开型（opening mode）或拉伸型（tension mode），简称I型。其裂纹面的位移方向是在使裂纹张开的裂纹面法线方向（y方向）。它通常发生在载荷和几何形状对称于裂纹平面的情形，例如 Griffith 裂纹是I型裂纹，其裂纹的扩展方向是正前方（x方向）。若物体是均匀厚度的平板，裂纹贯穿板厚，则问题是二维的（平面问题）；若物体不是平板或 者裂纹没有贯穿板厚，则是三维问题。许多工程上常见的断裂都是I型裂纹的断裂，这也是最危险的裂纹类型。
第二种裂纹型称为同平面剪切型（in—plane shear mode）或者滑移型（sliding mode），简称II型。裂纹上下表面的位移方向刚好相反，一个向正x 方向，另一个向负x方向。在板厚均匀和裂纹贯穿板厚的情况下，此裂纹问题也是二维的，属弹性力学平面问题。
第三种裂纹型称为反平面剪切型（anti —plane shear mode），简称III型。裂纹面上下表面的位移方向也是刚好相反，但一个向正z 方向，另一个向负z方向。这里的z方向是板厚方向，属弹性力学空间问题。
三种基本裂纹型裂端区某点的应力应变值、位移值和应变能密度值都由应力强度因子及其位置来决定。因此，只要知道应力强度因子，裂端区的应力、应变、位移和应变能密度就都能求得。由于有这一特点，应力强度因子可以作为表征裂端应力应变场强度的参量。近代断裂力学，就是Irwin 在五十年代中期提出了应力强度因子的概念，认识到它的意义后才开始发展起来的。
2、断裂力学的发展和应用
断裂力学的应用从60年代起就显示了它巨大的作用，从而推动了断裂力学本身理论和实验技术的发展。近年来，断裂力学的应用得到很大的重视，它的应用范围极其广泛。大致可分为几个方面：
（1）断裂力学对工程材料和工程结构提出新的强度观点和强度准则，并提出新材料性能和试验的测定方法，同时给出结构设计的新方法。（2）按照断裂力学的基本观点，任何材料和任何工程结构都不可避免出现缺陷，断裂力学建立了一种判断的准则，那就是什么是容许裂纹，什么是不容许裂纹。（3）对于存在缺陷的构件，在外荷载的作用下，应用断裂力学的理论来判断构件剩余使用寿命。（4）应用断裂力学判断影响工程材料和工程结构的主要断裂因素及其影响的程度和变化规律。（5）利用断裂力学的知识找出缓解裂纹扩展和阻止裂纹断裂的方法。6）利用断裂力学的原理，研究裂纹、结构、使用条件三者之间的关系和它们之间的变化规律，确定材料抗断裂性能指标[3]。
3、结语
传统的断裂力学即宏观的断裂力学，它揭示了材料的断裂韧性指标，但未能回、答材料的组织结构的作用，即材料是怎样获得其不同的抗裂水平的。损伤力学的发展推动了现代工程的设计，特别是在航空航天领域。随着科学技术的发展、损伤力学理论、测试手段、技术能力亦不断发展，损伤力学将得到更为广泛的应用.
参考文献：
[1]佚名.断裂力学和损伤力学在混凝土中的应用[J].山西建筑（36）：19-20.
[2]苏灵，徐承浩.断裂力学在疲劳裂纹分析中的应用[J].南方农机，2018，049（012）：123.
[3]余寿文，余寿文.断裂损伤与细观力学[J].力学与实践，1988，10（6）.
[4]陈伯银.断裂与损伤力学发展研究[J].四川水泥，2017（9）.
[5]姚山.浅析断裂力学和损伤力学在混凝土中的应用[J].居业，2018，000（008）：100-100.
[6]辛德臣.浅谈断裂力学的创立和发展[J].大庆师范学院学报，2005，25（004）：50-52.