物質是構成物體的材質，物體是具有一定的質量（對應分子熟），體積的個體。說“使得物體破碎”是可以的。說“使得物質破碎”是不恰當的。

跟胖哥學物理 物質碰撞後斷裂

在回答問題之前，我們來認清一些物質是如何由分子和原子構成的。大家學過高中化學，原子和分子透過化學鍵及分子鍵組合在一起形成的物質，這種化學鍵其實就是一種分子直接一種力。原子間的化學鍵有離子鍵、共價鍵、金屬鍵，其分子間相互作用力為範德華力。

因此，要想使物體傳送斷裂，物質在碰撞後斷烈後化學鍵和分子鍵就必須斷裂。同一個物體之所以裂開，就是因為在斷裂面上沒有分子相互作用力。在初中時我們學習分子運動論後，知道“破鏡難圓”就是因為斷開後，兩個斷裂出分子之間就沒有作用力了，引力和斥力同時不存在了。從化學角度，就是分子鍵被破壞掉了，分子之間不再存在範德華力，因為就很難重新組合在一起。

當然鏡子要從斷裂出對接，有難度。但是如果是金屬就容易得多。直接給金屬加熱後，它們就可以連線在一起。也是因為金屬加熱後熔化，可以使得斷面更好的契合，斷面之間的原子間距變小，小到可以產生共同的金屬鍵了。這樣在金屬冷卻後，由於金屬鍵已經建立，所以斷面結合了。高分子化合物比金屬要複雜的多，原子及分子之間的作用力種類也複雜的多，斷面更加的複雜。所以完全契合的兩個斷面對接基本上不可能了。

根據剛才我們談到理論，我們看看物體在強外力作用下發送碰撞會斷裂，而且兩個斷面的不一定一致，造成了兩邊原子或分子之間的距離無法形成大量的新的穩定的化學鍵，極少量的化學鍵作用力微弱，對整體結合沒什麼作用。因為整個物理在按照碰撞時候力的方向造成化合鍵破壞，因為分子直接構成化學鍵失去作用而分開。

同學們初中物理學過，力可以改變物體形變。形變有兩種:彈性形變和塑性形變。

物體在力作用下出現一些性質，我們把它們叫做材料的力學性質。對於發生形變物體有兩種對立種性質:脆性和韌性。脆性是指材料在外力作用下(如拉伸、衝擊等)僅產生很小的變形即斷裂破壞的性質，與韌性相反，直到斷裂前只出現很小的彈性變形而不出現塑性變形。脆性材料抗動荷載或衝擊能力很差。金屬材料的脆性主要取決於其成分和組織結構。對於物體的韌性，是指材料受到使其發生形變的力時對摺斷的抵抗能力韌性越好，則發生脆性斷裂的可能性越小。

脆性是指當外力達到一定限度時，材料發生無先兆的突然破壞,且破壞時無明顯塑性變形的性質。脆性材料力學效能的特點是抗壓強度遠大於抗拉強度，破壞時的極限應變值極小。磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、鑄鐵等都是脆性材料。與韌性材料相比，它們對抵抗衝擊荷載和承受震動作用是相當不利的。

材料受力破壞時無顯著的塑性變形而突然斷裂的性質。一般斷裂面較粗糙，斷口平直而光亮，邊緣沒有剪下唇，延伸率和斷面收縮率均較小。金屬的脆化在很大程度上因其受力狀態、加工速度、化學成分、熱加工工藝和使用條件的不同面變化。

材料的脆性還與溫度和構成物質純度有關係有關。一般來說，隨著溫度降低，物體的脆性增大。在鋼鐵裡慘有雜質，鋼鐵脆性也會增大。

同學們看過一部電影《泰坦尼克號》，就是船和冰山發生了碰撞。因為當時氣溫低，連線船體的鉚釘脆性變大。當冰山撞擊了船體，導致船體的鉚釘承受不了撞擊因而毀壞。其實，當初製造時也有考慮鉚釘的材質使用較脆弱，而在鉚釘製造過程中加入了礦渣，但礦渣分部過密，因而使鉚釘變得脆弱無法承受撞擊。鐵釘斷裂後，海水湧進水密艙，但當時泰坦尼克號水密艙最大承受極限為4個，而進水部分為5個，超過了承受極限而發生沉船慘劇。

後來，美國國家技術監督局的幾位科學家利用顯微鏡和影象分析儀對殘骸進行研究時卻發現，製造鉚釘使用的鋼鐵質地極其不純，其中的礦渣含量竟然超過了標準鋼材的2倍。根據冶金學理論，這種過量的不純物質使得鉚釘在劇烈的撞擊過程中很容易發生斷裂。

材料的力學性質對於我們生活有著重大作用，如何防止物體的脆性在各種複雜環境下發送突變，應該是一個重點課題。因為人類已經開始“上天撈月，下海捉鱉”科學冒險，嫦娥四號登月後遇到溫度環境是對探測器最大考驗，因此在為了防止探測器由於溫度低而脆性增強，科學家在探測器中安裝了核電池對探測器進行了保溫，防止由於變脆而突然斷裂，引起科學實驗不可預測性終止。

隨著科學技術成熟，人類越來越掌握物體碰撞後斷裂原因，這樣在各種複雜環境下減少這種斷裂發生，使人類可以駕駛自己航天器，翱翔在天空和海洋裡。

2019年3月6日於宜昌夷陵吾同齋

斷裂問題屬於力學問題

籠統來講，力學屬於物理。但是，物理不僅僅是力學。通常，大學以後物理是物理，力學是力學，兩者有些許交集，但是還是分開的。

材力裡面講到了幾種強度準則，比如最大拉應力，最大拉應變，最大切應力，最大畸變能密度等等。這些強度理論針對的是結構的失效，失效並不意味著斷裂。

對於脆性材料，其失效形式是脆性斷裂。對於韌性材料，其失效形式是塑性變形。所以，材力的強度準則僅僅是結構失效的判斷，並未真真深入材料的斷裂機理。

斷裂力學才是真正研究材料斷裂機理的一門學科，分成靜態斷裂和動態斷裂。

1)靜態斷裂

對於線彈性材料，靜態斷裂通常考慮的是應力強度因子（一個類似於應力集中的物理量），當應力強度因子大於材料的斷裂韌性時，就認為斷裂了。

對於塑性材料，由於裂尖出現的應力集中，會使得裂尖附近進入塑性區，如下圖示意圖。這時候，就得考慮塑性區的大小。

彈塑性斷裂力學主要有兩個判斷準則：裂尖張開位移（CTOD），J積分。其中前者很好理解，透過實驗可以測出每種材料在靜載荷下的臨界張開位移。後者J積分，對應的是單位面積斷裂的能量。此外，裂尖張開角度(CTOA)也會被用來衡量裂紋擴充套件的一個依據。

2)動態斷裂

動態斷裂研究的是裂紋的擴充套件，其基本判斷準則與靜態斷裂類似。經過多年的研究，很多學者認為裂紋擴充套件的重要因素有兩個：最大張力，斷裂能。這裡通常先假設張力與位移線性變化，之後根據需要設定。

具體裂紋擴充套件分兩部分：1）裂紋起裂階段；2）裂紋損傷擴充套件階段。起裂階段對應的是應力到達最大張力之前，之後就是損傷擴充套件階段。第一階段可逆，第二階段不可逆。第二階段結束後，就表述這一個位置完全徹底分開了。

起裂的準則有好多種：比如最大張力，也有最大位移，最大應變之類的。但是由於線性階段一一對應，差別不大。

損傷階段也有不同的準則：比如線性下降，指數下降等等。但是對於給定的材料，其臨界J積分是定值。不同的形狀，對結果影響有限。

上圖為斷裂分析的一個內聚區cohesive模型，其線性上升和指數下降非常清楚。其圍成的面積就是斷裂能。

材料內部自帶內缺陷（孔洞、夾雜等），這些內缺陷在外力作用下，就會產生應力集中。隨著外載的增加，這些內缺陷會變大，臨近的內缺陷會互相合並，形成大缺陷，直至全部破壞。損傷力學的任務，就是用一些損傷引數，把這個演化過程用數學的方式描述出來。這裡也會用到一些判斷準則，與斷裂力學基本類似。

物體受力發生斷裂，判斷準則有很多。基本的起裂準則看最大張力，完全斷裂準則看J積分。