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破壊とは、物体や材料が応力によってひび割れたり、破片に砕けたりする現象である。破壊科学は、物理学および工学における研究分野の一つである。
固体の破壊は通常、固体内部に特定の変位不連続面が発生することによって起こります。変位が表面に垂直に発生する場合は、通常の引張亀裂または単に亀裂と呼ばれ、変位が接線方向に発生する場合は、せん断亀裂、すべり帯、または転位と呼ばれます。[ 1 ]
脆性破壊は、破壊前に目立った変形を伴わずに発生します。延性破壊は、目に見える変形後に発生します。破壊強度、または破断強度とは、試験片が破損または破壊する際の応力のことです。材料における破壊の発生と進展の詳細な理解が、破壊力学の研究対象です。
破壊強度（破断強度とも呼ばれる）とは、試験片が破壊によって破損する応力のことである。 [ 2 ]これは通常、引張試験によって特定の試験片について決定され、応力-ひずみ曲線が記録される（図を参照）。最後に記録された点が破壊強度である。
延性材料は、破壊強度が引張強度（UTS）よりも低いのに対し、脆性材料では破壊強度はUTSと等しい。[ 2 ]延性材料が荷重制御の状況で引張強度に達すると、[注1 ]追加の荷重が加えられなくても、破断するまで変形し続ける。しかし、荷重が変位制御の場合、[注2 ]材料の変形によって荷重が緩和され、破断が防止される可能性がある。
ランダムな材料の破壊の統計は非常に興味深い挙動を示し、建築家やエンジニアによってかなり早い時期から注目されていました。実際、破壊または破壊の研究は、最も古い物理科学の研究である可能性があり、今でも興味深く、非常に活発です。レオナルド・ダ・ヴィンチは500年以上前に、名目上同一の鉄線サンプルの引張強度がワイヤーの長さの増加とともに減少することを観察しました。[ 3 ]ガリレオ・ガリレイも400年以上前に同様の観察を行いました。これは、破壊の極端な統計の現れです（サンプルの体積が大きいほど、破壊が核生成されサンプルの強度が低下する累積的な変動により、欠陥が大きくなる可能性があります）。[ 4 ]
破壊には、脆性破壊と延性破壊の2種類があり、それぞれ破壊前に塑性変形を伴わないものと伴うものがある。
脆性破壊では、破壊前に明らかな塑性変形は起こりません。脆性破壊は通常、エネルギー吸収が少なく、鋼材では最大2,133.6 m/s (7,000 ft/s)の高速で発生します。 [ 5 ]ほとんどの場合、荷重が停止しても脆性破壊は継続します。[ 6 ]
脆い結晶性材料では、結合力の弱い結晶面（劈開面）に垂直に引張応力が作用することで、劈開による破壊が生じる。一方、非晶質固体では、結晶構造がないため、引張応力に垂直に亀裂が進展する貝殻状破壊が生じる。
材料の破壊強度（または微小亀裂発生応力）は、 1921年にアラン・アーノルド・グリフィスによって初めて理論的に推定された。
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一方、亀裂はイングリスの方程式[ 7 ]でモデル化される応力集中を引き起こします。
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これら2つの式を組み合わせると
鋭い亀裂（小さな亀裂））および大きな欠陥（大きなどちらも材料の破壊強度を低下させる。
2010年現在、科学者たちは、材料中の亀裂が音速よりも速く伝播する現象である超音速破壊を発見した。 [ 8 ]この現象は、ゴム状材料の破壊に関する実験によっても検証されている。
典型的な脆性破壊の基本的な流れは、材料の使用前または使用後に欠陥が導入され、繰り返し荷重下で亀裂がゆっくりと安定的に伝播し、破壊力学で定義された条件に基づいて亀裂が臨界亀裂長に達すると突然急速に破壊するというものです。[ 6 ]脆性破壊は、材料の破壊靭性（Kc ）、公称応力レベル（σ）、および導入された欠陥サイズ（a）という 3 つの主要な要因を制御することによって回避できます。 [ 5 ]残留応力、温度、荷重速度、および応力集中も、3 つの主要な要因に影響を与えることによって脆性破壊に寄与します。[ 5 ]
特定の条件下では、延性材料が脆性挙動を示すことがあります。急速な荷重、低温、および三軸応力拘束条件により、延性材料は事前の変形なしに破壊する可能性があります。[ 5 ]
延性破壊では、破壊前に広範囲な塑性変形（くびれ）が発生します。「破断」および「延性破断」という用語は、引張荷重を受けた延性材料の最終的な破壊を表します。広範囲な塑性により、破壊前に大量のエネルギーが吸収されるため、亀裂はゆっくりと伝播します。[ 9 ] [ 10 ]
延性破壊は高度な塑性変形を伴うため、上述のようにモデル化された伝播亀裂の破壊挙動は根本的に変化する。亀裂先端の応力集中によるエネルギーの一部は、亀裂の伝播に伴って亀裂前方の塑性変形によって散逸される。
延性破壊の基本的なステップは、マイクロボイド[ 11 ]の形成、マイクロボイドの合体（亀裂形成とも呼ばれる）、亀裂の伝播、および破壊であり、多くの場合、カップアンドコーン型の破壊面が生じます。マイクロボイドは、材料中の析出物、二次相、介在物、粒界などのさまざまな内部不連続部で核生成します。[ 11 ]局所応力が増加すると、マイクロボイドは成長し、合体し、最終的に連続した破壊面を形成します。[ 11 ]延性破壊は典型的には粒内破壊であり、転位すべりによる変形は、カップアンドコーン破壊の特徴であるせん断リップを引き起こす可能性があります。[ 12 ]
微小空隙の合体により、破断面にディンプル状の外観が生じる。ディンプルの形状は、荷重の種類に大きく影響される。局所的な一軸引張荷重下での破壊では、通常、等軸ディンプルが形成される。せん断による破壊では、対応する破断面上で反対方向を向いた細長いまたは放物線状のディンプルが生じる。最後に、引張による引き裂きでは、対応する破断面上で同じ方向を向いた細長いディンプルが生じる。[ 11 ]
材料中を亀裂が伝播する様式は、破壊モードについての洞察を与えてくれます。延性破壊では、亀裂はゆっくりと移動し、亀裂先端の周囲で大きな塑性変形を伴います。延性亀裂は通常、応力が増加しない限り伝播せず、荷重が取り除かれると一般的に伝播が停止します。[ 6 ]延性材料では、亀裂は応力がわずかに低い材料のセクションまで進み、亀裂先端での塑性変形の鈍化効果により停止することがあります。一方、脆性破壊では、亀裂は塑性変形がほとんどまたは全くなく、非常に速く広がります。脆性材料で伝播する亀裂は、一度発生すると成長し続けます。
亀裂の伝播は、微視的なレベルでの亀裂の特性によっても分類されます。材料内部の結晶粒を貫通する亀裂は、粒内破壊を起こしています。結晶粒界に沿って伝播する亀裂は、粒間破壊と呼ばれます。通常、室温では材料自体よりも結晶粒間の結合が強いため、粒内破壊が発生しやすくなります。温度が上昇して結晶粒間の結合が弱まると、粒間破壊がより一般的な破壊モードになります。[ 6 ]
材料の破壊は、さまざまな方法で研究され、定量化されます。破壊は主に破壊靭性によって決定されます（そのため、破壊靭性を測定するために破壊試験がよく行われます。破壊靭性を測定するために最も広く用いられている手法は、三点曲げ試験とコンパクト引張試験です。
コンパクト引張試験と三点曲げ試験を実施することにより、以下の式を用いて破壊靭性を求めることができる。
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正確に達成するために、その値正確に測定する必要があります。これは、長さの切り欠きが加工された試験片を使用して行います。そして、このノッチを鋭利にして、実際の材料に見られる亀裂先端をよりよく模倣します。[ 13 ]サンプルに周期的な予応力を加えると、疲労亀裂が誘発され、亀裂は作製されたノッチの長さから伸びます。にこの値上記の式では、決定するために使用されています。[ 14 ]
この試験の後、サンプルを再配置して、さらに荷重（F）を加えるとこの亀裂が広がり、荷重とサンプルのたわみの関係を示す曲線が得られます。この曲線から、材料のコンプライアンスの逆数である線形部分の傾きを求めることができます。これを用いて、上記の式で定義したf（c/a）を導出します。これらの変数をすべて把握することで、そうすれば計算できる。
セラミックスと無機ガラスは、金属材料とは異なる破壊挙動を示します。セラミックスは強度が高く、材料強度が温度に依存しないため、高温でも優れた性能を発揮します。セラミックスは引張荷重下での試験で測定される靭性が低く、多くの場合、金属で見られる値の約 5% の値です。[ 14 ]しかし、FaberとEvansによって実証されているように、破壊靭性は、第二相粒子の周りの亀裂偏向によって予測および改善できます。[ 15 ]セラミックスは日常使用では通常圧縮荷重を受けるため、圧縮強度は強度と呼ばれることがよくあります。この強度は、ほとんどの金属の強度を超えることがよくあります。しかし、セラミックスは脆いため、ほとんどの研究は脆性破壊の防止を中心に行われています。セラミックスの製造方法と加工方法により、材料にはしばしば既存の欠陥があり、モード I 脆性破壊に高い変動性をもたらします。[ 14 ]したがって、セラミックスの設計には確率的な性質を考慮する必要があります。ワイブル分布は、引張応力シグマに耐える特定の体積のサンプルの割合の生存確率を予測し、セラミックスの破壊回避の成功をよりよく評価するためによく使用されます。
繊維束の破壊をモデル化するために、複合材料の強度を理解するためのモデルとして、1926 年に Thomas Pierce によって繊維束モデルが導入されました。[ 16 ]この束は、長さが同一で、それぞれが同一のばね定数を持つ多数の平行なフックばねで構成されています。ただし、破断応力は異なります。これらのばねはすべて、剛性の水平プラットフォームから吊り下げられています。荷重は、ばねの下端に接続された水平プラットフォームに取り付けられています。この下部プラットフォームが完全に剛性である場合、任意の時点での荷重は、（何本の繊維またはばねがどこで破断したかに関係なく）すべての残存繊維によって均等に分担されます。この荷重分担モードは、均等荷重分担モードと呼ばれます。下部プラットフォームは有限の剛性を持つと仮定することもできます。そのため、ばねが破損する場所ではプラットフォームの局所的な変形が発生し、残存する隣接繊維は、破損した繊維から伝達された荷重のより大きな割合を分担する必要があります。極端なケースは、局所的な荷重分担モデルであり、破損したバネや繊維の荷重が、残っている最も近い隣接繊維によって（通常は均等に）分担される。[ 4 ]
脆性破壊による損傷は、特定の種類の構造物に限られません。[ 5 ]脆性破壊は他の種類の損傷ほど一般的ではありませんが、人命や財産への影響はより深刻になる可能性があります。[ 5 ]以下の注目すべき歴史的な損傷は、脆性破壊に起因するとされています。
ほぼすべての工学分野がコンピュータによって大きな影響を受けており、破壊力学も例外ではありません。閉形式の解析解で解ける実際の問題は非常に少ないため、数値モデリングは破壊解析において不可欠なツールとなっています。応力拡大係数解が発表されている構成は文字通り数百種類あり、その大部分は数値モデルから導出されたものです。J積分と亀裂先端開口変位（CTOD）計算は、ますます普及している弾塑性研究の2つです。さらに、専門家は最先端の計算ツールを使用して、延性亀裂伝播、動的破壊、界面での破壊などの特有の問題を研究しています。計算破壊力学アプリケーションの指数関数的な増加は、基本的にコンピュータ技術の急速な発展の結果です。[ 17 ]
最もよく用いられる数値計算手法は、有限要素法と境界積分方程式法である。その他の手法としては、応力・変位マッチング法、要素亀裂進展法などがあり、後者2つは計算破壊力学における従来の手法に分類される。
構造は、1次元梁、2次元平面応力または平面ひずみ、3次元レンガまたは四面体タイプの離散要素に分割されます。要素の連続性は、節点を使用して強制されます。[ 17 ]
この方法では、表面は変位が指定される領域 S uと牽引力が指定される領域 S Tの 2 つの領域に分割されます。境界条件が与えられれば、物体内部の応力、ひずみ、変位、および S u上の牽引力と S T上の変位を理論的に解くことができます。これは、未知の牽引力と変位を見つけるための非常に強力な手法です。[ 17 ]
これらの方法は、数値解析を用いて破壊力学パラメータを決定するために使用されます。[ 17 ]過去に一般的に使用されていた計算破壊力学の従来の方法の一部は、より新しく高度な技術に置き換えられました。新しい技術は、より正確で効率的であると考えられており、古い方法よりも正確な結果をより迅速に提供できます。すべての従来の方法が完全に置き換えられたわけではなく、特定のシナリオでは依然として有用ですが、すべてのアプリケーションにとって最適な選択肢ではない可能性があります。
計算破壊力学における従来の手法には、以下のようなものがある。
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