早期的斷裂研究

斷裂問題的研究可以追溯到我們的「全能選手」—萊奧納多.達芬奇

。達芬奇測試發現金屬線的強度隨其長度的不同波動很大。這種現象意味著材料缺陷控制材料強度：較長的金屬線中缺陷更多，從而影響其強度。當然，這只是定性的討論。

斷裂應力與缺陷尺寸間的定量研究來自於格里菲斯（Griffith，1920）【7】。他將橢圓孔的應力分析理論應用於裂紋不穩定擴展中，根據熱力學第一定律中能量平衡的方法建立了斷裂理論。在其理論中，裂紋擴展導致的應變能超過材料的表面能，缺陷就會失穩，裂紋就會擴展（具體分析以後再講）。應用格里菲斯的理論能較好的預測玻璃試樣中缺陷尺寸與試樣強度的關係。然而，這個理論僅適用於脆性材料而無法推廣到金屬材料中，因為這個理論認為斷裂能量主要來自於材料的表面能。當學者們找到合適的改進方法，將格里菲斯的理論推廣到金屬材料中時，已經是1948年的事了。

「自由輪」號

可以說，正是二戰時期「自由輪」號的一系列破壞事故，直接導致了斷裂問題從實驗室科學家的興趣愛好轉變為一個重大的工程問題。

在二戰早期，美國在租借法案

框架下為英國提供輪船和飛機。此時英國繼續大量的運輸船來運輸物資，然而當時德國對英國運輸船的摧毀效率是英國建造效率的三倍。

這個時候，一個著名的工程師—亨利凱澤—出現了。它曾設計建造的著名的胡佛大壩。亨利凱澤提出了一種全新的全焊接船體建造方法以代替傳統的柳接設計建造方法，大大提高了造船效率，於是大量的「自由輪」號被建造出來。

「自由輪」號起初取得了很大的成功，直到1943年，一艘船在西伯利亞開往阿拉斯加

過程中直接斷成兩截。之後的自由輪號也陸續出現了問題。二戰期間一共製造了大約2700艘自由輪號，其中有400艘發生了斷裂事故，有90艘斷裂十分嚴重，有20艘幾乎完全斷裂。

事故調查發現，自由輪號輪船失效破壞主要有以下三個原因：

1 由於焊接工人經驗缺乏，導致一些焊縫質量不好，存在類裂紋缺陷；

2 大部分斷裂起始於甲板艙門四角應力集中的部位；3 夏比衝擊試驗表明自由輪號所用鋼材韌性較差。

那為什麼這些鋼材用在原柳接工藝製造的輪船上就不會出現問題呢？這是由於斷裂無法越過柳釘連接的兩塊鋼板。而在焊接船體中，鋼板可以看成一個整體，裂紋可以無障礙的自由穿過，甚至會穿過整個船體。

確定失效原因後，對餘下的自由輪號採取了補救措施，在甲板艙門四角處增大圓弧以減小應力集中，在甲板其他關鍵部位覆蓋了韌性更好的鋼材以阻止裂紋擴展。

長遠來看，人們開始製造韌性高的結構鋼，並開始制定焊接標準。海軍研究室的研究人員開始詳細的研究斷裂問題，從此之後的幾十年裏，目前我們熟知的斷裂力學框架逐漸建立起來。

下面我們就會開始真正介紹斷裂力學的發展的過程了，具體請聽下回分解。

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