材料的断裂破坏过程是一个从微观、纳观、细观到宏观的多尺度过程，如图1所示。微观尺度直接涉及裂纹顶端断裂时的原子分离过程（图1e），一般用原子断裂力学、分子动力学等研究原子结合键的破断。纳观尺度涉及原子聚集体的点阵畸变、位错运动、纳米尺度微裂纹与孔洞的形核等（图1d），一般用原位微观观察、纳观裂尖变形场测量、位错力学、弹性力学等研究位错的发射、堆聚及离散塑性等。细观尺度涉及材料晶粒微米尺度的裂纹与孔洞的长大和聚合（图1c），一般用实验观察、细观损伤力学、晶体塑性理论等研究微孔洞和微裂纹的损伤演化行为。宏观尺度指裂尖微/毫米尺度的连续介质塑性区（图1b）和厘米尺度的宏观结构（图1a），一般用连续介质力学、断裂力学研究裂纹尖端力学场，用计算力学研究试样和结构几何（即拘束）对断裂的影响及结构完整性评定的方法。

图 多尺度的材料断裂破坏过程

宏观的断裂力学理论建立在经典的连续介质力学的基础上，回避了裂纹尖端真实的断裂物理过程，将该物理过程简单地看作“黑匣子”。因此，宏观断裂力学是一种唯象的理论，不能描述裂尖断裂过程区中的实际断裂物理过程，不能解释材料断裂韧性的本质及数据的分散，在实际应用中也存在裂尖拘束效应等问题，从而不能准确预测材料和结构的断裂行为。为基于材料实际断裂的多尺度过程机理，构建准确得多尺度关联的物理力学模型，以实现断裂的准确预测和指导材料的强韧化设计，需要打开裂尖的“黑匣子”，弄清裂纹尖端区材料的微细观结构和缺陷特征及其在外载作用下的演化过程。

纳观尺度裂尖变形和应变分布的直接测量，或分子动力学的计算模拟有助于理解材料的微观断裂机理。如裂尖位错的形核是理解材料脆-延性转变本质机理的基础，解理裂纹扩展和裂尖位错发射的竞争性微观细节可通过裂尖纳观变形和应变分布的观察和测量得到揭示。科学家们利用透射电镜的原位拉伸观察法对金属单晶薄膜试样在单向及交变载荷下的裂尖纳观变形特征及位错发射进行了仔细观察。生动地证实了裂纹尖端发射位错的过程，发现了裂纹前方的塑性区是由已发射位错的反塞积群所组成，而在裂纹尖端与塑性区之间存在着一个无位错区。