断裂力学

断裂力学是研究材料裂纹扩展的力学领域。 它使用分析固体力学的方法计算裂纹的驱动力，使用实验固体力学的方法来表征材料的抗断裂能力。

理论上，尖锐裂纹尖端前的应力变为无穷大，不能用来描述裂纹周围的状态。 断裂力学用于表征裂纹上的载荷，通常使用单个参数来描述裂纹尖端处的完整载荷状态。 已经开发了许多不同的参数。 当裂纹尖端的塑性区相对于裂纹长度较小时，裂纹尖端的应力状态是材料内部弹性力的结果，称为线弹性断裂力学 (LEFM)，可以使用应力来表征 强度因子 K {\displaystyle K} 。

当裂尖塑性区尺寸过大时，可采用弹塑性断裂力学，参数为J积分或裂尖张开位移。

表征参数描述了裂纹尖端的状态，然后可以将其与实验条件相关联以确保相似性。 当参数通常超过某些临界值时，就会发生裂纹扩展。 当超过应力腐蚀应力强度阈值时，腐蚀可能导致裂纹缓慢扩展。 类似地，小缺陷在承受循环载荷时可能会导致裂纹扩展。 被称为疲劳，人们发现，对于长裂纹，其增长速度主要取决于应力强度范围 Δ K {\displaystyle \Delta K} 裂纹因施加载荷而经历的应力强度范围。 当应力强度超过材料的断裂韧性时，就会发生快速断裂。 裂纹扩展的预测是损伤容限机械设计学科的核心。

材料制造、加工、机械加工和成型的过程可能会在成品机械部件中引入缺陷。 由于制造过程，所有金属结构中都存在内部和表面缺陷。 并非所有此类缺陷在使用条件下都是不稳定的。 断裂力学是对缺陷的分析，以发现安全的（即不生长的）和易于扩展为裂纹并因此导致有缺陷的结构失效的缺陷。 尽管存在这些固有缺陷，但通过损伤容限分析实现结构的安全运行是可能的。 断裂力学作为一门批判性研究的学科，才出现了一个世纪，因此相对较新。

断裂力学应尝试为以下问题提供定量答案：

• 组件的强度与裂纹尺寸的关系是多少？
• 在使用载荷下可以容忍多大的裂缝尺寸，即xxx允许的裂缝尺寸是多少？
• 裂纹从某个初始尺寸（例如最小可检测裂纹尺寸）增长到xxx允许裂纹尺寸需要多长时间？
• 假设存在一定的预先存在的缺陷尺寸（例如制造缺陷），结构的使用寿命是多少？
• 在可用于裂缝检测的时间段内，应多久检查一次结构是否有裂缝？