裂紋與材料的強度
眾所周知，自然界中的各種物質都是由分子構成的，分子和分子之間通過一種結合力相互連接在一起，當外界施加的力大於這種分子結合力的時候，相鄰的分子就會發生分離。然而在很早以前人們就發現，按照這樣的想法計算得到的材料在斷裂時的理論強度值和試驗測量的實際強度值兩者之間相差甚遠，前者常常是後者的數百倍或上千倍，如此巨大的差別是如何產生的呢？
1920年英國科學家格裏菲思（A．A．Griffith）在研究玻璃的實際強度，做了一個試驗：用玻璃薄壁圓管和球形玻璃燈泡作為試驗樣品，在玻璃上人為地刻上長度不同的刻痕，然後向其中泵入液體使其爆裂。試驗結果顯示：刻痕的長度越大，爆破時所需要的液體壓力就越小，即玻璃實際測得的強度越低。
因此，他把材料的理論強度與其實際強度的差別歸結為材料內部存在著各種細小的缺陷。正是那些肉眼難以察覺的缺陷或裂紋使試驗測量得到的材料的實際強度明顯降低。但是，由於在那時工程設計中使用的都是材料的實際強度，即試驗測量值，加上當時生產力發展水平的限製，19世紀初的工程材料表現為脆性斷裂破壞者為數甚少。因此，這種認為材料中存在有裂紋的思想並沒有引起足夠的重視，工程師們仍遵循材料是沒有任何缺陷的和完整的這一假設來進行工程結構的設計。然而，無情的事實向人們提出了一係列的挑戰。在二次世界大戰期間，美國建造的五千艘全焊接式自由輪貨船投入使用後，其中有一千多艘陸續發生各種斷裂破壞，最嚴重的破壞甚至使船體突然斷成兩截。1950年美國“北極星”導彈固體燃料發動機的機殼在試驗時發生爆炸；1949年東俄亥俄州的圓柱形儲氣罐斷裂爆炸使周圍街市變成廢墟，並造成128人死亡，總損失高達680萬美元。這些斷裂破壞事故都是在人們毫無察覺的情形下發生的，因此常常伴隨著大量的人員傷亡和財產損失，造成災難性的後果。從大量飛機、船舶和高壓容器等的脆性斷裂事故分析中科學家們發現，所有的斷裂均起源於材料中的裂紋。盡管這些結構都滿足常規設計中對強度的要求，並具有足夠的安全係數，但是在外力的作用下，這些裂紋會逐漸地增長，不斷削弱結構的實際承載能力，最後裂紋發生急劇擴展，從而導致了結構的破壞，這時，人們才對裂紋有了更加深刻的認識。從50年代開始，有關裂紋的研究工作得到了加強，並逐漸形成了一門新興的學科��斷裂力學。斷裂力學主要研究裂紋擴展的規律，探索裂紋對材料和結構強度的影響，建立斷裂判據，控製和防止斷裂破壞的發生。現代工程結構已經開始采用斷裂力學的理論進行設計，斷裂力學在完善工程設計、提高結構的安全性、消除斷裂事故隱患等方麵都發揮著十分重要的作用。
通過嚴謹的數學分析，科學家們發現：一個矩形的平板，在均勻分布的外界拉力作用下，其內部各處的應力（即單位麵積上的力，用σ表示）也是均勻分布的（圖1）；但若有一個裂紋存在時，在靠近裂紋的地方，應力就不再均勻分布，相反卻會發生急劇的變化（圖2）。越接近裂紋的尖端，應力也就越大；裂紋尖端的應力在理論上是無窮大的。考慮到在建立分析模型時所作的一些抽象化，實際材料中裂紋尖端的應力通常不會達到無窮大，但該處的應力確實要比遠離裂紋尖端的應力大得多。這樣大的應力常常會超過材料所能承受的極限應力值，引起其內部裂紋的擴展並由此造成結構的斷裂。因此在現代工程設計中，對材料選擇不僅要求考慮其強度，更重要的還要求考慮其斷裂韌度��材料抵抗裂紋擴展的能力。在檢驗廠家生產的材料合格與否時，斷裂韌度也是一個非常重要的指標。與此同時，人們也開始注意材料在冶煉中，在鍛造、切削、焊接、鉚接及熱處理等加工工藝過程中以及在使用中是否會產生裂紋，從而影響到材料的強度。又各種檢測裂紋的手段也得到相應的發展，如X射線探傷儀、超聲波探傷儀以及工業CT等儀器都可以幫助人們探測材料或結構中可能存在的裂紋，以避免事故的發生。