裂纹的危险在于把外加载荷集中到尖端附近很小的区域。材料整体承受的平均应力可能还不高，裂纹尖端的局部应力已经足以拉断原子键、打开界面或推动微裂纹继续前进。断裂强度因此不只取决于化学键强弱，还取决于缺陷尺寸、缺陷形状和裂纹扩展所需能量。

图1｜不同结构和尺寸的纳米材料会表现出不同的断裂路径和强度分布。

(资料图片)

一、裂纹为什么会放大应力？

1.裂纹尖端的应力集中

应力集中描述的是局部几何不连续对力场的放大。圆滑孔洞、尖锐裂纹和夹杂物边缘都会改变力线分布，其中尖锐裂纹最危险。裂纹尖端半径越小，局部应力越高，裂纹越容易继续打开。

断裂力学常用应力强度因子 K 描述裂纹尖端的驱动力。对于拉伸载荷下的裂纹，K 与外加应力 σ 和裂纹长度 a 有关。K 随 σ 增大而增大，也随裂纹长度 a 的平方根增大。这意味着同样的外加载荷下，长裂纹比短裂纹更容易失稳。

2.能量释放与裂纹扩展

裂纹扩展需要新表面。形成新表面会消耗表面能或界面能；同时，裂纹变长会释放一部分弹性能。Griffith 断裂思想正是比较这两个能量项。当裂纹扩展释放的弹性能超过新表面所需能量时，裂纹会进入不稳定扩展。

脆性材料中的塑性耗能很少，裂纹尖端附近缺少明显钝化过程。玻璃、陶瓷和部分硬脆晶体因此对裂纹尺寸非常敏感。韧性材料中，裂纹尖端会产生塑性区，位错运动、微孔长大和裂纹偏转会消耗更多能量，裂纹扩展速度也会下降。

二、尺寸为什么会改变强度？

1.最弱缺陷控制强度

大尺寸样品通常包含更多缺陷。样品体积越大，内部出现较大孔洞、较长裂纹或危险夹杂物的概率越高。最弱缺陷会先达到断裂条件，因此宏观强度常低于小样品或小尺度构件。

这一现象常称为尺寸效应。纳米线、微柱、薄膜和纤维中，测试体积很小，危险缺陷数量减少，测得强度可能接近理论强度。小尺寸材料强度升高，很多时候来自缺陷数量减少和危险缺陷尺寸降低。

2.Weibull 统计与强度分布

断裂强度经常表现为分布，单一数值难以覆盖同批样品中的缺陷差异。相同制备条件下的纤维、纳米管或微梁，强度仍会有明显离散。Weibull 统计把这种离散与缺陷分布联系起来，用来描述材料在不同尺寸下的失效概率。

尺寸越大，遇到极端危险缺陷的概率越高；尺寸越小，强度平均值可能升高但波动仍然存在。因此，小尺度材料的强度不能只看最高值，也要看分布宽度、样本数量和测试长度。若只报告少量样品的最高强度，容易高估材料可靠性。

图2｜断裂强度会随样品尺寸和缺陷统计发生变化，极值统计常用于描述这种尺寸效应。

三、裂纹怎样在结构里前进？

1.晶体、非晶和层状材料

不同结构中的裂纹路径差异很大。晶体中，裂纹可能沿特定晶面、晶界或相界扩展；非晶材料中，裂纹更受局部自由体积、剪切带和密度涨落影响；层状材料中，层间界面、层内键合和缺陷边缘都会改变裂纹方向。

裂纹若沿低能界面扩展，断裂表面会比较平直；若裂纹不断偏转、分叉或桥联，裂纹路径会变长，耗能增加。裂纹路径越曲折，裂纹扩展需要消耗的能量通常越高。复合材料、层状材料和多相合金常利用界面设计提高韧性，正是利用了这种裂纹扩展耗能。

2.原子尺度断键与塑性区

在原子尺度上，断裂对应化学键连续断开或界面脱粘。分子动力学模拟可以观察裂纹尖端的键伸长、断键、位错发射、空洞聚并和局部相变。晶格取向、缺陷分布和温度都会影响裂纹尖端附近的原子运动。

若裂纹尖端没有足够塑性耗能，断裂会更接近脆性失稳。若位错能从尖端发射并在前方滑移，裂纹尖端会钝化，局部应力峰值下降。断裂模式取决于键断裂速度、位错活动和局部结构重排之间的竞争。

图3｜分子动力学模拟可以追踪裂纹尖端的断键、塑性变形和局部结构重排。

四、强度和韧性为什么不同？

1.强度描述起裂前的承载

强度描述材料在失效前能承受多大应力。拉伸强度、弯曲强度和压缩强度对应不同加载方式。对于含裂纹样品，强度不仅受材料本征键合影响，还受裂纹长度、缺口半径和样品几何影响。

高强材料不一定高韧。某些陶瓷、玻璃和硬质涂层具有很高硬度和强度，但裂纹一旦达到临界尺寸，扩展会非常快。只提高强度而缺少裂纹耗能机制，材料仍可能发生突然断裂。

2.韧性描述裂纹扩展阻力

韧性关注的是裂纹扩展过程中的耗能能力。断裂韧性 K 常用于表示材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。K 越高，材料在已有裂纹存在时越能承受更高载荷或更长裂纹。

强度更多对应“什么时候开始失效”，韧性更多对应“裂纹扩展需要多少能量”。金属中的塑性变形、陶瓷中的裂纹桥联、复合材料中的纤维拔出和界面脱粘，都会提高裂纹扩展耗能。材料设计要同时考虑强度、韧性和缺陷容忍度。

五、怎样测量断裂行为？

1.拉伸、弯曲和微纳测试

宏观断裂常用拉伸、三点弯曲、紧凑拉伸和断裂韧性试样测量。微纳尺度材料则常用微柱压缩、纳米线拉伸、微悬臂弯曲和原位电子显微测试。样品几何会改变应力状态，因此不同测试结果不能直接混用。

测试小尺度样品时，夹持、对中、加载速率、表面损伤和制样离子束都会影响结果。微纳断裂测试必须同时报告样品尺寸、缺陷状态、加载方式和样本数量。否则，强度离散很难与真实尺寸效应区分。

2.断口、原位观察和统计分布

断口形貌能提供裂纹来源和扩展路径。镜面区、河流花样、韧窝、撕裂棱、疲劳条带和层间剥离都对应不同断裂过程。SEM 适合观察断口形貌，TEM 和原位显微实验能进一步追踪裂纹尖端附近的位错和结构重排。

单个断口只能给出一次失效的局部信息。要描述材料可靠性，还需要强度分布、断裂概率和缺陷统计。断裂分析需要把裂纹形貌、加载条件、样品尺寸和统计分布放在一起，这样才能区分材料本征韧性、加工缺陷和测试尺度带来的影响。

图4｜强度数据需要结合样品尺寸和统计分布分析，少量测试值难以代表可靠性。

总结

材料从裂纹处断裂，是因为裂纹尖端同时改变了局部应力和能量平衡。外加载荷提供驱动力，裂纹长度放大尖端应力，缺陷统计决定最危险位置，塑性变形和界面耗能决定裂纹能否继续前进。

断裂强度由材料结构、缺陷尺寸、样品尺度和加载方式共同决定。分析断裂时，需要同时看裂纹起源、裂纹扩展路径、扩展耗能以及同一批样品中的强度分布宽度。

文章信息：标题：Size effects on the fracture of microscale and nanoscale materials；DOI：10.1038/s41578-018-0029-4

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