[科普中国]-破坏力学

破坏力学以研究材料之破坏为手段，以防止材料破裂为终极目标，而破坏力学则是应用理论来研究材料之破坏原因破坏力学用于设计之上，可将一些可能引起破裂之因素与条件，在设计之初就加以考虑以杜绝结构破裂之发生。世界先进国家对于尖端科技与有寿命，安全顾虑的机械结构如飞机、火箭、飞弹、核反应器及海陆运输工具等，皆已应用破坏力学以确保结构之寿命安全。

简介将损伤力学和断裂力学联合起来的学科，成为破坏力学（Failure Mechanics）。工程材料内部往往存在着大量弥散分布的细观缺陷，在外部因素（外力、温度等）作用下损伤将逐渐演化。材料的破坏，就是由于损伤的集中发展，最终形成宏观缺陷即裂纹而造成的，但在宏观裂纹形成以后，细观的损伤仍在不断演化，并推动着宏观裂纹的发展，而宏观裂纹在扩展的过程中所扫过的附近区域，也往往是细观损伤高度集中的区域。

损伤力学研究在各种外载条件下，物体中的损伤随着变形而发展并最终导致破坏的过程和规律的学科。损伤一词意味着材料出现性质劣化时所伴随发生的细观结构的不可逆的变化。分布在材料中的微裂纹或者微空洞由萌生、扩展、汇合形成宏观裂纹导致材料断裂，而且也是强度、刚度、韧性下降，或者剩 余寿命减少，材料性能劣化的原因。损伤力学将这种微裂纹或微空洞的力学作用理解为连续变量场——损伤场。它是研究材料中微细孔隙扩展和含有微细孔隙材料性质的一门新学科。它是将材料强度学、连续介质力学统一起来进行研究的。在用唯象的损伤场这个力学变量描述材料的损伤状态时，往往称损伤力学为连续损伤力学。损伤力学首先要定义与量测损伤，因宏观的方法或细观力学的方法建立考虑损伤的本构方程与演化方程；给出损伤力学的初、边值问题的提法并用于损伤与破坏分析。它在脆性损伤、塑性损伤、疲劳损伤、蠕变损伤等分 析中有重要的应用。一般来讲，损伤力学研究包含 4个阶段：

选择合适的损伤变量；

建立损伤演化方程；

建立考虑材料损伤的本构模型；

根据初始条件和边界条件求解材料各点的应力、应变和损伤值，又计算得到的损伤值判断各点的损伤状态，若损伤达到临界值，可认为该点破坏，然后，根据新的损伤分布状态和新的边界条件再作类似的反复计算，直到达到构件的破坏准则而终止1。

断裂力学断裂力学是近几十年才发展起来的一支新兴学科，它从宏观的连续介质力学角度出发，研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件(荷载、温度、介质腐蚀、中子辐射等)作用下宏观裂纹的扩展、失稳开裂、传播和止裂规律。断裂力学应用力学成就研究含缺陷材料和结构的破坏问题，由于它与材料或结构的安全问题直接相关，因此它虽然起步晚，但实验与理论均发展迅速，并在工程上得到了广泛应用。例如断裂力学技术已被应用于估算各种条件下的疲劳裂纹增长率、环境问题和应力腐蚀问题、动态断裂以及确定试验中高温和低温的影响，并且由于有了这些进展，在设计有断裂危险性的结构时，利用断裂力学对设计结果有较大把握。断裂力学研究的方法是：从弹性力学方程或弹塑性力学方程出发，把裂纹作为一种边界条件，考察裂纹顶端的应力场、应变场和位移场，设法建立这些场与控制断裂的物理参量的关系和裂纹尖端附近的局部断裂条件2。断裂力学的内容有：

线弹性断裂力学。它研究理想脆性材料和构件中裂纹扩展的规律，以弹性力学的线性理论为基础，控制裂纹扩展的参量是应力强度因子和能量释放率。

弹塑性断裂力学。主要研究韧性材料中裂纹扩展的规律，它是用弹塑性力学的方法来分析裂纹 扩展的非线性断裂力学。用积分和裂纹尖端张开位移作为裂纹扩展的参量。

动态断裂力学。它研究构件受到高速加载时裂纹扩展的规律。构件受到碰撞、冲击时其材料的动态本构关系不同于静态的情况，描述裂纹扩展的参量需要考虑动态效应。

疲劳裂纹的扩展。它研究在交变载荷作用下裂纹的扩展速率。疲劳裂纹扩展速率与断裂的各 个参量存在一定规律。应力腐蚀也会导致金属材料和构件中裂纹扩展，发生断裂。在拉应力作用下腐蚀开裂也是研究课题。

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学