本书系统地介绍了断裂力学的基本理论、试验方法和工程应用，深入探讨了裂纹行为的数学描述及其背后的物理机制。主要内容包括：材料断裂及分类、线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学、材料的疲劳、新兴材料的断裂力学。本书从工程材料的断裂现象入手，针对各种实际断裂现象，探寻裂纹的萌生、扩展直至最后断裂的路径，借助现代测试手段和理论知识分析其原因，并给出了合理的改进措施。本书可帮助读者理解裂纹形成、扩展以及导致材料破坏的根本原因，从而为设计更安全、更可靠的工程结构提供理论支持和实践指导。
本书可供机械、冶金等行业的工程技术人员使用，也可供相关专业在校师生参考。

前言
第1章材料断裂及分类1
1.1断裂及其危害1
1.2断裂的分类及特征2
1.2.1断裂的类型2
1.2.2断口的宏观特征（金属断裂过程的观察）3
1.2.3断口的微观特征4
1.3理论断裂强度11
1.4实际断裂强度12
1.4.1Griffith(格里菲斯）理论12
1.4.2Orowan(奥罗万)的修正15
1.4.3Zener-Stroh（甄纳-斯特罗）位错塞积理论17
1.4.4Cottrell（柯垂耳）位错反应理论18
1.4.5Smith（史密斯）理论19
1.4.6材料的韧性断裂理论19
1.5材料性能与断裂的关系22
1.5.1影响材料断裂的因素22
1.5.2力学状态图（弗里德曼图）23
第2章线弹性断裂力学25
2.1概述25
2.2裂纹类型及扩展方式26
2.2.1基本型裂纹26
2.2.2复合型裂纹27
2.3应力场强度因子及断裂韧度KC27
2.3.1裂纹尖端应力-应变场27
2.3.2应力场强度因子32
2.3.3断裂韧度KⅠC和断裂K判据35
2.3.4裂纹尖端的塑性区36
2.3.5应力场强度因子修正40
2.4裂纹扩展能量释放率及断裂韧度GC45
2.4.1裂纹扩展力和裂纹扩展能量释放率45
2.4.2断裂韧度GC及断裂G判据47
2.4.3断裂韧度KC与GC的关系47
2.4.4复合型载荷作用下的线弹性断裂48
2.5影响断裂韧度的因素48
2.5.1KⅠC与其他力学性能的关系48
2.5.2外部因素49
2.5.3内部因素50
第3章弹塑性断裂力学52
3.1引言52
3.2J积分及断裂韧度JⅠC52
3.2.1J积分的定义52
3.2.2J积分的能量率表达式53
3.2.3断裂韧度JⅠC和断裂J判据55
3.3COD及断裂韧度δⅠC56
3.3.1COD的概念56
3.3.2线弹性条件下的COD57
3.3.3弹塑性条件下的COD58
3.3.4断裂韧度δC及断裂δ判据59
3.4断裂韧度的测定59
3.4.1断裂韧度KⅠC的测试59
3.4.2断裂韧度JⅠC的测试63
3.4.3断裂韧度δC的测试65
3.4.4阻力曲线（R曲线）67
3.5JC、δC、KC与GC的关系67
3.5.1JⅠC、KⅠC和GⅠC的关系67
3.5.2δC和其他断裂韧度间的关系68
第4章材料的疲劳70
4.1疲劳现象、分类及特征70
4.1.1疲劳现象及疲劳破坏70
4.1.2循环应力（交变载荷）70
4.1.3疲劳破坏的宏观形貌72
4.1.4疲劳的类别及特点73
4.2疲劳曲线及疲劳强度75
4.2.1疲劳试验及疲劳曲线(S-N)75
4.2.2疲劳强度（疲劳极限）76
4.2.3疲劳图77
4.3疲劳的断裂机制79
4.3.1疲劳过程中显微组织结构的变化79
4.3.2疲劳裂纹的萌生81
4.3.3疲劳裂纹的扩展82
4.3.4疲劳的过载损伤和累积损伤85
4.3.5疲劳缺口敏感度q87
4.4疲劳裂纹扩展速率87
4.4.1疲劳裂纹扩展速率（da/dN）的测定88
4.4.2疲劳裂纹扩展速率的一般规律89
4.4.3影响疲劳裂纹扩展速率的因素90
4.4.4疲劳寿命的估算及延寿技术91
4.5应变疲劳98
4.5.1应变疲劳及特点98
4.5.2应变疲劳ε-N曲线及曼森-柯芬方程99
4.5.3循环软化和循环硬化102
4.6冲击疲劳103
4.6.1冲击疲劳的特点103
4.6.2冲击疲劳的曲线及规律104
4.7热疲劳105
4.8高温疲劳107
4.8.1高温疲劳的概念107
4.8.2高温疲劳的一般规律107
4.8.3高温疲劳与蠕变交互作用108
4.9腐蚀疲劳110
4.9.1腐蚀疲劳现象及其特点110
4.9.2腐蚀疲劳裂纹的扩展111
4.9.3腐蚀疲劳的机制112
4.9.4防止腐蚀疲劳的措施113
4.10接触疲劳113
4.10.1接触疲劳现象与接触应力113
4.10.2接触疲劳破坏机理115
4.10.3接触疲劳试验方法117
4.10.4影响接触疲劳抗力的因素118
4.11疲劳短裂纹120
第5章新兴材料的断裂力学122
5.1陶瓷材料的断裂力学122
5.1.1概述122
5.1.2陶瓷材料的断裂124
5.1.3陶瓷材料的断裂韧度KⅠC125
5.1.4陶瓷断裂韧度的测定126
5.1.5影响陶瓷断裂韧度的因素130
5.1.6陶瓷疲劳发生的观点133
5.1.7陶瓷材料的静疲劳135
5.1.8陶瓷材料的循环疲劳136
5.1.9陶瓷材料疲劳寿命估算及影响因素137
5.2高分子材料的断裂力学140
5.2.1概述140
5.2.2高分子材料的变形与断裂141
5.2.3高分子材料的断裂韧度147
5.2.4高分子材料的疲劳151
5.3复合材料的断裂力学155
5.3.1概述155
5.3.2复合材料的损伤和断裂157
5.3.3复合材料的断裂韧度160
5.3.4复合材料的疲劳164
5.3.5复合材料疲劳特性及影响因素166
5.3.6复合材料疲劳寿命预测理论模型168
5.3.7提高疲劳破坏措施170
5.4 3D打印材料的断裂力学171
5.4.1概述171
5.4.2 3D打印材料的断裂173
5.4.3 3D打印材料的疲劳179
参考文献186

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强度和裂纹扩展的规律。自20世纪50年代开始形成与发展的断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、核电、材料、能源、微电子、生物医学、地震等工程领域得到广泛的应用。
材料断裂力学作为一门关键的工程学科，旨在深入理解材料在外部载荷作用下的破坏行为及其机理。在工程实践中，材料的断裂现象往往直接影响着结构的安全性、可靠性和寿命预测。结构或材料的断裂会造成大量人员伤亡，经济损失高达各国国内生产总值的6%～8%。随着大工业技术的发展，航空、船舶、容器和管道中部件的断裂频繁发生，传统的强度理论已难于满足现代结构和材料的设计要求，为此材料的断裂力学应运而生。
断裂力学是近几十年才发展起来的一门新兴学科，主要研究承载体由于含有的一条主裂纹发生扩展（包括静载及疲劳载荷下的扩展）而产生失效的条件。断裂力学应用于各种复杂结构的分析，并从裂纹起裂、扩展到失稳过程都在其分析范围内。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，但试验与理论均发展迅速，并在工程上得到了广泛应用。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，考察裂纹尖端的应力场、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。
目前，断裂力学总的研究趋势是从线弹性到弹塑性，从静态断裂到动态断裂，从宏观微观分离到宏观与微观结合，从确定性方法到概率统计性方法。所以就断裂力学本身而言，根据研究的具体内容和范围，它分为宏观断裂力学（工程断裂力学）和微观断裂力学（属金属物理范畴）。宏观断裂力学又可分为弹性断裂力学（包括线性弹性断裂力学和非线性弹性断裂力学）和弹塑性断裂力学（包括小范围屈服断裂力学和大范围屈服断裂力学及全面屈服断裂力学）。工程断裂力学包括疲劳断裂力学、蠕变断裂力学、腐蚀断裂力学、腐蚀疲劳断裂力学及蠕变疲劳断裂力学等。如今在断裂力学研究方法中，又引入可靠性理论，称为概率断裂力学，使断裂力学的研究内容更加丰富，也使断裂力学的理论得到进一步发展和完善，并在工程实际中发挥出越来越大的指导作用。
早在1921年Griffith在研究玻璃断裂的问题时，提出了能量释放率准则，奠定了断裂力学的基础。在20世纪50年代航空结构脆性断裂与高强度钢的使用，工程上提出了定量分析断裂的要求。1957年Irwin提出了应力强度因子的断裂准则。1968年Rice和Hutchinson揭示了弹塑性裂纹尖端的奇异场理论(Hutchinson-Rice Rosen-gren field,HRR场)和J积分，奠定了弹塑性断裂力学的基础。1960年Wells在试验的基础上，提出了以裂纹张开位移作为韧性断裂的控制参量；Barenblatt提出内聚区断裂模型。经五十多年的发展，宏观断裂力学已发展成一个独立的学科分支。在材料的强韧化和保证结构的安全等方面，起到了十分重要的作用。
我国断裂力学的发展，在国际上已经占有一席之地。20世纪40年代，李四光出版的专著《地质力学之基础与方法》中应用Griffith的断裂理论解释了地质学中断层运动与地震现象。1972年起，由于航空工业的发展，冶金部钢铁研究总院成立了断裂力学研究组，从测试材料的断裂韧度开始，研究工作涉及线弹性断裂力学、非线性断裂力学和疲劳裂纹扩展等领域。从20世纪70年代以来，中国力学学会、中国航空学会、中国机械工程学会、中国金属学会等学会发起与组织召开全国断裂会议，各相关的全国性学会轮流主持。
21世纪以来，信息、纳米、生物科技的迅猛发展提出了大量前沿的断裂力学问题。随着改革开放和国内外学术交流更加深入，我国在微-纳观断裂力学、智能材料和新复合材料的断裂力学及其相关的计算模拟和断裂试验方面，有了长足的发展。现在还更应强调面向现实提出的重大理论与工程实际问题：诸如能源(油气)中的油气压裂、页岩气开采、智能制造的传感制动机构的失效、交通运输(如高铁、航空)中的断裂疲劳问题、保健康复中的器件失效与可靠性问题，地震与地质和自然界破裂运动中的问题，增材制造中的缺陷引起的疲劳破坏等重要的研究领域，尚须进一步吸引广大的断裂力学研究者参与，这也是断裂研究服务于人类安全福祉的重要落脚点。
断裂力学的核心概念是裂纹的形成、扩展和最终导致材料失效的过程。裂纹的行为不仅受外部载荷的影响，还与材料的物理特性、化学特性密切相关。理解裂纹在不同载荷条件下的演变规律，是预测材料在工程应用中的可靠性和耐久性的基础。
通过断裂力学，我们能够优化材料的设计和选择，改善结构的性能和可靠性，减少意外事故的发生。在材料工程和结构设计中，断裂力学的理论和方法不仅是分析问题的重要工具，更是实现创新和持续发展的基础。
本书旨在系统地介绍断裂力学的基本理论、试验方法和工程应用，深入探讨裂纹行为的数学描述及其背后的物理机制。通过对断裂力学理论的学习，读者将能够理解裂纹形成、扩展以及导致材料破坏的根本原因，从而设计出更安全、更可靠的工程结构。
本书由西安理工大学的陈文革教授和邵晖副教授共同编写，赵康教授审阅。感谢西安交通大学、西北工业大学和西安建筑科技大学等高校的多位学者提出的宝贵意见，也感谢研究生刘子健、杨小明、赵策琛、刘博旺对文字和图表的编辑和整理。
希望本书能够成为工程领域从事材料设计、结构分析以及故障分析工作的工程师和研究人员的重要参考，也欢迎广大学术界同仁和工业界同仁积极探讨、交流，共同推动断裂力学在实际工程中的应用和发展。

作者