为什么要学断裂力学：断裂力学的起源和发展

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　　人类历史上任何一门学科的发展大多都和当时的社会环境密不可分。自然神学和原始宗教充分显示了人类在生产力极其低下的原始社会对自然万物的一种积极探索，而古希腊自然哲学流派最早与神学展开了争论，讨论世界的本源到底是什么?这其中的一位便是德谟克利特，由他提出的原子论可以说是导致近代唯物主义和量子物理的哲学基石。

　　德谟克利特像

　　再比如，发生在地中海沿岸的十字军东征事件，罗马人从西亚寻回古希腊典籍，从而使黑暗的欧洲终于有机会迸发出一缕阳光，并最终出现了影响近代科学大步流星的文艺复兴;英法百年战争创造了近代战争模式，使人类从冷兵器过渡到热兵器。大概是因为科技掌握在人的手里，而人又都是社会的人，所以，社会环境对科技的影响不容忽视，也许通过研究社会问题可以预示某些科技成果，反过来，某些新型科技成果也可以为我们勾画新型的社会关系。


　　断裂力学的起源和发展源于也反映了这样的过程。我想，在人类社会早期，自有结构起，断裂就一直是人们关注的问题。比如，原始社会早期陶器烧制中的破裂，我们可以想象原始人在制作一只陶碗的过程中，有的烧的好好的，而由的就会崩裂，也许当时就在会考虑选材和温度控制问题，我们也可以想象其中的某个人为了控制裂纹而深思熟虑。

　　自哥伦布发现新大陆之后，跨越大洋，占领市场就成为当时欧洲人的迫切需要，大型的船队就成为人类跨越大洋的首选。在经过了两次世界大战之后，人类的文明就从一种悠闲状态突飞猛进达到另外一种状态，高科技的舰艇、攻坚武器、高速飞机在世界各国争夺战中成为关键因素。然后，就这些技术的诞生过程，人类也曾付出了沉重的代价。

　　1912年4月12日，由英国白星航运公司建造的泰坦尼克号，从英国南安普敦出发，前往美国纽约，中途撞上冰山最终船体裂成两半后沉入大西洋，船上1500多人丧生。泰坦尼克号海难为和平时期死伤人数最惨重的海难之一。此后，科学家和造船工程师们对船体残骸分析称，由于泰坦尼克号在设计之初，只考虑了增加钢的强度，而忽视在增加钢材强度的同时会引起材料抗断裂能力的降低，加之泰坦尼克号在海水中浸泡使得材料变脆，更容易折断。

　　泰坦尼克号

　　同样的情况也发生在飞机上。1949年，第一架喷气式民航客机──英国的“哈维兰彗星”号首次飞行，1952年5月2日，“哈维兰彗星”号客机正式投入航线运营，为喷气式客机的第一次商业运行。然而，历史上哈兰公司制造的114架“彗星”号中，曾有13架发生重大事故，有些甚至在空中解体，事故分析主要为设计缺陷和金属疲劳裂纹导致。随后美国生产出波音707和DC-8抢占了市场。“彗星”终因缺少定货难以为继，于1980年全部退出商业航班飞行。

　　“哈维兰彗星”号原型机

　　大多数断裂事故发生在毫无征兆的情况下，破坏载荷远小于其强度极限。1969年，美国俄亥俄河上的一座大桥突然断裂，造成死亡46人伤9人的严重后果，当时载荷仅为设计载荷的40%。断裂事故几乎无处不在，甚至经过严格检验的国防尖端产品的断裂事故也是有发生。1950年，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在实验时发生爆炸。1965年美国著名的260SL-1固体火箭发动机压力壳在水压实验时发生脆断，断裂时应力为657MPa，而所用材料的屈服极限为1716.23MPa，仅为屈服极限的38%。

　　北极星导弹

　　断裂事故远不止这些，据统计，美国在二次世界大战期间，有4694艘全焊接“自由轮”中有近1000艘发生断裂破坏，100多个损坏处都是焊接缺陷等应力集中的地方，且在气温降到-3℃和水温降到-4 ℃时发生断裂。1977年，美国火车铁轨断裂事故发生800多起，损失超过60多亿美元。1983年，美国巴特尔研究所受美国商务部的委托进行调查研究，结果表明：美国工业由于材料失效(包括断裂、疲劳、腐蚀等)，每年耗损1190亿美元，其中29% 的损失 (即345亿美元)可利用现代技术予以避免，如计入目前正在进行的防止失效的研究成果，还可再避免24%的损失。两项共达630亿美元。

　　在一些的断裂事故面前，人们不禁要问：问题到底出在哪了?这要从传统的设计思路出发。在《材料力学》低碳钢拉伸试验中，很容易发现，只要当材料拉伸应力σ达到它的强度极限σ_b时材料发生断裂，即σ≤σ_b，在传统的设计中，为了安全通常会加一个安全系数，上述公式变为：σ≤ (σ_b)/n上。

　　在材料力学中，我们还学习过另外一个概念，应力集中，在材料的形状改变的部位会发生应力集中，而且这个集中程度是和突变程度相关的，那么，加入在材料加工的时候，有气泡或夹杂，又或在结构加工的时候，某些焊接处有虚焊，这种影响就非常大的，如果材料或结构中存在尖裂纹，即便尖端发生屈服，其应力值将会大到远端应力的几百或上千倍。

　　基于这种考虑，我们有必要在结构设计之初，先研究材料中可能存在的裂纹或缺陷，在考虑缺陷的情况下进行结构设计，这正是断裂力学的设计思路。一般来讲，断裂力学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。断裂力学的任务在于求得各类材料的断裂韧度;确定物体在给定外力作用下是否发生断裂，即建立断裂准则;研究载荷作用过程中裂纹扩展规律;研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂(即应力腐蚀)问题。

　　我国工业由于材料失效造成的损失也很惊人，为此在重大机械产品设计中采用防断裂设计(国外常称为“破损安全设计”或“损伤容限设计”)。断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源等工程领域得到广泛应用。

　　本文来自科学网张伟伟的个人博客，图片收集自网络。