杨卫、冯西桥、高华健三院士联袂综述——断裂力学进入第二个百年：25个问题重画学科边界

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断裂力学已经走过百年。从Griffith能量平衡，到应力强度因子、J积分和弹塑性断裂，这套理论早已成为理解材料失效的基础语言。

但一个百年学科，并不等于一个封闭学科。当裂纹进入纳米尺度、极端温度、超高速加载和生物组织，经典理论赖以成立的连续介质、尺度分离与裂尖奇异场，开始同时承受压力。

在发表于International Journal of Fracture的一篇Perspective中，杨卫、冯西桥和高华健三院士没有给出一套“大一统答案”，而是列出25个未决问题：其中理论基础8项、材料行为9项、工程前沿8项。

图1｜论文将25个问题分为理论、材料和工程三个领域。

这些问题背后其实只有一个共同变化：研究者不能再把裂纹只看作连续介质中的一条尖锐缺口，而要同时追踪原子键、缺陷网络、材料结构、外部环境和数据之间的联系。

第一条边界：经典裂尖理论还能走多远？

文章首先追问，连续介质描述究竟能逼近裂尖到什么尺度。文中概述，连续弹性可延伸至数纳米附近，而连续塑性通常在亚微米尺度开始失效。对于正在扩展的弹塑性裂纹，经典近尖端奇异场甚至未必还存在稳定的主导区域。

这意味着，未来的断裂模型不能只靠一个局部参数。它必须解释全局能量如何流向局部缺陷，也要让量子、原子、介观与连续体模型之间交换一致的信息。

图2｜裂纹跨越电子、原子、微结构和连续体尺度；不同模型如何交换一致信息，仍是基础难题。

AI在这里不是替代力学，而是三次进入问题清单：组织应力强度因子知识库、降低跨尺度计算成本，以及改善统计断裂中的不确定性量化。

第二条边界：韧性不只是“材料常数”

在材料层面，文章把理论强度、理论韧度、疲劳免疫、低维材料和“无断裂”软物质放进同一张地图。它们共同指向一个判断：性能越来越取决于结构怎样安排能量，而不只是材料由什么组成。

论文引用的研究显示，珍珠层与单体碳酸钙成分相近，断裂功却可相差约3000倍。差异来自层级结构：硬质片层承载，软相传递剪切，裂纹则通过偏转、桥联和拔出不断耗能。

图3｜珍珠层式“砖–泥”结构展示了跨尺度协调如何改写强度–韧性权衡。

因此，文章提出的“理论断裂韧度”并非一个脱离结构的固定上限，而可能是由层级、长宽比和界面共同决定的设计上限。不过，这仍是作者提出的研究方向，不是本文完成的实验验证。

第三条边界：真实断裂需要新的试验基础设施

工程中的裂纹很少只受单轴、常温和单一物理场控制。滑坡涉及孔隙、水和岩土组分，生命组织同时耦合力学、化学与生物过程，极端装备还要面对多轴应力波、强热流与快速相变。

图4｜三条正交Hopkinson杆使不同方向的应力波同步抵达试样中心，用于逼近真实三维动态断裂状态。

所以，前沿不只在公式里，也在能否建立三维裂尖测量、多物理场同步加载、原位跨尺度观察和极高温断裂试验。没有新的观测与加载能力，很多理论问题甚至无法被真正检验。

DOI: https://doi.org/10.1007/s10704-025-00907-6