金屬在受力時，原子的相對位置發生改變，其宏觀表現即為形變。當局部的形變量超過一定限度時，原子間的結合力受破壞，出現裂紋，裂紋經過擴展，使金屬斷開，稱為斷裂。強度是材料抵抗變形和斷裂的能力。通常所謂材料的軟、硬、韌、脆等都是對材料有關形變和斷裂特性的描述（見金屬力學性能的表徵）。金屬的斷裂總是伴隨著不同程度的範性形變。斷口分析的結果表明，即使是典型的脆性斷裂，在金屬的斷口層也有一定程度的範性形變。
一般把形變分為彈性形變與與范性形變(或塑性變形)兩類，把斷裂分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種。但它們並不能截然分開。在同一試件上，可以有彈性和范性形變，或脆性和韌性斷裂並存。例如當一塊材料受力時，從整體看，它是彈性變形，而在缺陷或裂紋尖端卻已發生明顯的范性形變。一個斷口，往往包含著脆性的和韌性的兩種典型區域。這些主要決定於材料的微觀結構和試件的宏觀狀態（如幾何尺寸、有無缺口或缺陷），環境溫度，介質條件以及加載情況等。
早在17世紀胡克（R.Hooke）就根據實驗結果提出瞭胡克定律（見彈性和滯彈性）。隨著數學、力學的進步，彈性理論已形成完整的體系。范性形變理論發展較晚，從力學角度出發，也有不少接近成熟的理論。但有關金屬斷裂問題的系統研究，則是20世紀以來的事，並隨著現代實驗技術的發展而不斷深入。
研究方法 金屬的形變和斷裂已形成金屬學中的一個重要分支。形變與斷裂問題的研究，一般有三種方法。
宏觀力學的研究 一般是從幾個假設出發，根據一定的邊界條件，分析物體在受力狀態下的應力與應變行為。這就是已經很成熟的彈性理論和正在發展中的塑性力學與彈塑性力學等。這些理論在指導材料的使用和進行工程設計等方面起到很重要的作用。隨著電子計算機技術的發展，有限元方法在力學分析中廣泛應用，使形變與斷裂的宏觀力學處理有更強的生命力。
微觀結構的研究 是指從金屬的內部組織結構來研究材料的形變與斷裂的機制。這種研究比宏觀力學的研究晚得多。長期以來，主要以純金屬和金屬單晶為研究對象，瞭解這些金屬形變與斷裂的某些規律，目前正逐漸向研究復雜多元和多晶體等現實金屬材料過渡。
金屬的組織結構一般可分為幾個層次。有些肉眼就可以觀察到，如大晶粒和宏觀缺陷等。有些要借助於光學顯微鏡或電子顯微鏡，如鋼的金相組織，合金中沉淀顆粒的析出等。還有一些隻有借助於物理性能的變化才能間接地推論出來，如用內耗推論金屬形變與斷裂過程中原子與微觀缺陷的交互作用；用聲發射監聽和研究形變與斷裂過程中的位錯運動，以及用正電子湮沒效應研究金屬在形變過程中點缺陷的形成和分佈等等。通過組織結構的微觀研究可以瞭解金屬形變與斷裂的本質，從而為改進現有材料、創造新材料和更有效地使用材料提供根據（見金屬和合金的微觀分析，金屬物理性能分析）。
宏觀與微觀方法的結合 宏觀力學方法的基礎是假定把材料視為連續介質，而實際的金屬材料並不是一種連續介質，而且環境介質和受力狀態也往往對材料的宏觀力學性能產生決定性的影響。在采用宏觀力學方法進行工程設計時，往往隻是簡單地加大安全系數，使設計出來的產品過於笨重。另一方面，研究金屬的形變與斷裂的微觀過程，可以瞭解材料形變和斷裂的本質，但不能用來指導現代工程設計。近來十分強調把宏觀力學方法和材料的微觀結構的研究方法結合起來，把宏觀力學性能與微觀結構參量之間的關系用數學形式表達出來，找出金屬材料形變與斷裂的一些規律，用以指導實踐。
主要的理論成果 近半個世紀以來，金屬學工作者從金屬與合金的組織結構出發，研究形變和斷裂，主要取得瞭兩方面的進展。
位錯理論 從原子間結合力計算出來的金屬的理論強度比其實際強度高幾十倍甚至幾個數量級。實際強度和理論強度的這種差別，長期以來得不到滿意的解釋。1920年格裡菲思（A.A.Griffith）從表面能的觀點提出瞭脆性材料強度的降低是由於材料中存在著微裂紋。通過對典型脆性材料（如玻璃）的試驗，這個理論得到定量的證實。但對金屬材料來說，這個理論並不適用。直到1934年奧羅萬（E.Orowan）、波拉尼(M.Polanyi)和泰勒（G.I.Taylor）分別提出晶體位錯的概念，才使塑性材料的實際強度遠比理論強度低的問題得到比較合理的解答（見晶體缺陷）。位錯理論認為，范性形變的基本過程是位錯的運動和增殖。位錯在晶體中運動的阻力就表現為強度。位錯移動時，隻需位錯中心附近少數原子移動很小的距離（甚至小於一個原子間距；而不含位錯的完整晶體，必須通過晶體的一部分對另一部分作整體剛性滑移，才能實現形變，據此計算出來的阻力數值顯然比前者高得多。位錯在金屬材料中是普遍存在的，而且即使是不含位錯的材料，在受力時也會產生位錯。用位錯理論可以說明金屬的強化、形變和斷裂等現象。四十多年來，位錯理論有很大發展，但在實踐中，還不能根據位錯理論來進行工程設計，因為金屬的缺陷類型很多，運動很復雜，交互作用很強烈，在各種情況下都作定量描述還有很多困難。電子計算機的應用，將有助於這方面的發展。
斷裂力學 20世紀60年代初，為瞭解決制造導彈殼體用的高強度鋼的低應力破壞問題，美國物理學傢、力學傢和冶金學傢組織起來，在格裡菲斯理論的基礎上，發展瞭線彈性斷裂力學，提出瞭應力強度因子和材料的斷裂韌度等新概念。斷裂力學根據實際材料中存在的宏觀缺陷，所受外力條件、材料性能以及介質條件，能夠定量地描述缺陷附近的局部應力、應變場，進而能夠決定脆斷的臨界條件和裂紋發展規律；可以定量地描述一種材料發生脆斷的內在因素（如缺陷）與外界條件（如受力狀態等）的關系。接著，又針對塑性較好的材料發展瞭彈塑性斷裂力學，提出J積分和裂紋張開位移(COD)等判據。目前，斷裂力學概念和一些判據，已經成功地用於工程設計、零件壽命估算和材料評價等方面。
研究動向 隨著材料科學的進步，新型材料不斷湧現，如復合材料、微晶和非晶態材料等，都將對形變與斷裂提出新的問題。隨著材料的生產與制造工藝的不斷改進，機械制造工業對材料的要求日益提高，也會對材料的形變與斷裂問題的研究提出新的要求。目前的主要發展動向有下列幾個方面：
疲勞斷裂是歷來機械零件最常見的破壞形式。特別是超高強度金屬材料，對裂紋具有特殊的敏感性，即使是非常細小的缺陷，也會造成災害性的疲勞破壞。因此，這是發展高強度材料亟待解決的問題。
材料在腐蝕介質中的形變和斷裂問題，包括應力腐蝕和腐蝕疲勞斷裂等（見應力腐蝕斷裂和氫脆）。隨著材料使用壽命的延長、材料強度的不斷提高，這方面的問題就更為突出。因此，結合材料的工作環境和受力條件，開展對材料的宏觀力學性能和微觀結構關系的研究是十分重要的。
高溫蠕變一直是金屬材料在高溫條件下工作的關鍵問題之一。如果在高溫長期靜載荷下疊加疲勞載荷（振動或周期蠕變應力），材料的強度變化並不是簡單的線性疊加，有可能加速斷裂，也可能促進強化。因此，研究金屬材料的蠕變和疲勞的交互作用成為當前的一個活躍領域。
不管斷裂方式如何，最後都要產生兩個相對應的斷口，從斷口往往可以得到材料在斷裂過程中有益的信息，據此不但可以研究材料的斷裂過程，也為部件的失效分析提供可靠的依據。所以斷口分析在當前已引起人們的密切註意，成為形變和斷裂的一個學科分支。
此外，冷塑性變形的金屬和合金，在加熱過程中會發生組織結構的明顯變化，這就是回復和再結晶及晶粒長大。而經過冷變形或再結晶的多晶金屬往往產生晶粒的擇優取向，從而形成不同類型的結構。織構的存在有時是有利的（如對取向矽鋼片），有時則有害（如對深沖鋼）。這些都是形變引起的，也是這個學科的研究課題。
參考書目
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