陶瓷材料脆性断裂的显微结构效应

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在断裂力学奠基人A.A. Griffith 的经典论文“The Phenomena of Rupture and Flow in Solids”发表100周年之际，《现代技术陶瓷》于2021年以第五期第六期合刊的形式式发表了由龚江宏撰写的《陶瓷材料脆性断裂的显微结构效应》一文。全文共14页，约10万字。

在过去的100年里，断裂力学经历了一个从萌芽、成形到进一步丰富发展的曲折过程。之所以称之为曲折，是因为Griffith的经典论文中所研究的是玻璃、陶瓷等脆性材料中的裂纹扩展问题，而此后在Griffith工作基础上于20世纪50年代初步建立的断裂力学理论则是首先在以延性断裂为主要断裂方式的金属材料领域得到成功应用；在断裂力学经过了近20年的发展之后再度回到脆性陶瓷材料领域时，人们突然发现已经较为成熟的断裂力学对于陶瓷材料的脆性断裂问题似乎并不是那么普遍适用。于是，从20世纪60年代末开始，一批力学工作者为发展一套适用于脆性断裂的断裂力学理论付出了十分艰辛的努力，并终于在80年代初期开始取得突破，进而为断裂力学注入了一个全新的内容，即：裂纹扩展的显微结构效应。应该说，关于裂纹扩展显微结构效应的研究到上世纪末为止已经基本结束，一套适用于研究陶瓷材料脆性断裂问题的断裂力学理论也初步建立起来。

本文试图对一个世纪以来 (尤其是上世纪最后30年间) 围绕脆性断裂显微结构效应问题开展的研究进行一次较为系统的回顾。之所以说“尤其是上世纪最后30年”，是因为在此之前，关于断裂现象的研究绝大多数都是针对金属展开的，这与当时金属在各种结构部件中发挥主导作用的现实有关。断裂力学真正进入到陶瓷领域是上世纪60年代中后期的事情。随着较为成熟的线弹性断裂力学理论和方法在陶瓷材料中应用遇到的问题越来越多，断裂的显微结构效应才逐渐引起学者们的关注，从而在1980年之后掀起了一个研究高潮，直至本世纪初基本上为研究脆性断裂的显微结构效应建立起了一个理论体系。而理论体系基本建立起来之后就只是应用理论解决实际问题了。可能就是这种原因，关于脆性断裂理论的研究在进入本世纪后就开始逐渐趋冷，以至于了解和关心脆性断裂理论的材料科学工作者越来越少，而由此导致的一个直接结果就是：在后来的研究工作中，熟练和灵活运用脆性断裂理论解决实际问题的研究越来越少；更有甚者，一些研究中对断裂问题的分析还稍微偏离了已有的脆性断裂理论。这就构成了作者撰写本文的目的之一。本文旨在从应用角度对脆性断裂理论进行一次系统的回顾和整理，以期为正在进行着的与断裂相关的材料研究提供一些理论上和方法上的参考。

理论研究的目的在于应用。在脆性断裂理论发展的过程中，学者们提出了很多新的概念、参数、术语、符号等等，以期将脆性断裂的独特性与原有的线弹性断裂力学理论统一起来。这些新概念新参数新术语新符号的提出无疑是有益的。但是对于材料科学工作者来说，如果能用原有的线弹性断裂力学中的概念、参数、术语、符号来对脆性断裂中的显微结构效应进行描述和分析无疑又是有利的。因此，本文自始至终一直在进行这方面的尝试。特别是在关于增韧效应的分析中，本文对断裂韧性进行的重新定义是以往文献中没有涉及到的。但作者认为，这样的重新定义有利于简化理论，同时也有利于简化对实验数据的分析讨论。

同样是因为面向的读者群是材料科学工作者，本文在理论的阐述方面进行了最大程度的简化，尽可能避免了不必要的繁琐理论推导，而把着眼点更多地集中在理论所预测出的结论方面。此外，无论是断裂力学理论研究还是材料的断裂行为研究，实验必然是一个重要的、同时也是必不可少的环节。出于这一考虑，本文也有意识地加强了对断裂力学测试技术的描述和评价，特别是在介绍一些针对具体问题巧妙设计出来的测试方法更是不惜篇幅。这么做的目的只是希望读者能从中得到一些启发：标准测试方法虽然能够测试出合乎标准的结果，但是并不是所有的场合都能借助于标准测试方法测出我们需要的参数，也并不是所有的需求都能有标准测试方法可以使用；在必要的情况下，创造出一些非标准、非常规的测试方法或许对提高研究水平、更深入了解材料本质大有好处。