国家自然科学基金重大项目：《材料的损伤断裂机理和宏微观力学理论》书籍PDF电子版（共六章，清华大学出版社，主编：黄克智、肖纪美）.pdf_大学文库

序材料的破坏过程是力学家与材料学家为之奋斗了近一个世纪的多尺度、跨学科难题。固体力学的破坏过程与流体力学的湍流问题是力学中公认的世纪难题，而且前者甚至比后者还更为复杂，因为流体力学还有一个Navier-Stokes方程可以遵循，而固体力学的本构关系与破坏过程还没有公认可遵循的方程。因断裂、疲劳、腐蚀、磨损而造成的破坏占美、日等国每年国民经济总值的6%~8%。据劳动部统计，我国在20世纪80年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故比工业化国家高10倍（其中恶性事故高100倍），人员累计伤亡居国内劳动安全事故第二位。宏观断裂力学的发展曾推动了30年来破坏研究面貌的改观，而破坏力学宏微观理论的出现将使人们对材料破环行为的研究上升到一个新高度，从而将材料宏观失效与其细观结构及更深层次内发生的断裂物理、断裂化学机理相联系，推动力学界思维方式的更新和材料科学的定量化发展。材料的损伤、断裂机理和宏微观力学理论的深人研究将有助于促进力学、材料科学，物理学、化学领域的学科交叉与深化。它通过引入多层次的缺陷背景和损伤、断裂机制，如细观层次的微空洞、微裂纹、界面和剪切带这四种典型破坏基元，和徽观层次的疲劳物理损伤、韧脆转变和氢致断裂等断裂机理，来研究材料从变形、损伤至失效的全过程。材料损伤、断裂机理和宏微观力学理论的研究，可为我国在下一个世纪降低破坏现象导致的经济损失及显著减少劳动事故奠定基础，直接或间接导致巨大的经济和社会效益。以宏微观结合理论为主要科学标志的破坏科学正成为国际当代力学和材料科学交叉领域在20世纪90年代的研究前沿。美国的各种研究决策机构(NSF,ASME,DARPA,ONR) 均大力资助这一新兴科研领域。国际上从80年代以来在细观力学、界面力学，细微观计算力学及原子层次断裂机理上取得了重大的学科性突破，并已逐步有效地指导材料强韧化设计和新型结构材料的研究。但这一新兴学科领域尚处于发展阶段。目前理论水平主要局限在模型材料单一因素的研究上，定量化模拟尚不封闭，由细观至微观的连接刚刚起步。实际材料内部的缺陷十分复杂，要建立一个从物质内部结构和缺陷分布来预测和控制其破坏规律的定量学说尚需要进行艰巨的努力。国家科委与自然科学基金委在“六五”与“七五”期间设立了有关断裂的多项重大项目。如“七五”期间数理学部和材料科学工程部分别设立了“金属材料的本构关系与断裂”、“金属材料断裂规律及机理”两个重大项目：中国科学院在“七五”期间设立了“固体的变形、损伤、疲劳、断裂”的院重大项目。上述三项置大项目为材料损伤、断裂机理和宏微观力学理论的研究打下了基础，取得了多项国际漏目的先进成果。如氢脆和应力腐蚀断裂、弹塑性扩展裂纹尖瑞场、剪切带与局部流动化理论、高速冲击破坏力学、细观塑性理论、疲劳破坏机理、界面断裂力学与弹塑性缺陷评定方法等均被评价为具有国际先进或领先水平的重要成果，曾获】

国家自然科学二等奖2项，三等奖】项，国家科技进步奖2项，国家教委科技进步一等奖和二等奖5项，中国科学院科技进步·等奖1项，二等奖2项，冶金部科技进步二等奖3项。中国力学家和材料科学家在材料损伤、断裂机理和宏微观力学理论方面的研究工作已逐步得到国际学术界的承认。国家自然科学基金与国家攀登项目共同资助了重大项目“材料的损伤、断裂机理和宏微观力学理论”(1993年11月至1997年12月，项月批准号为19392300)。本研究项目的总体学术思想是：把微观观察、性能测试、理论模型、数值计算和计算机模拟紧密结合起来。在这一结合路线下，使微观、细观尺度上揭示的交形、损伤和断裂的基本物理规律与定量刻画该物理过程的宏微观力学理论相联系，从而实现具有可操作特色的材料一力学，宏观一细观一微观，实验一计算一理论的三结合，并促进和推动力学和材料科学这两个学科领域的深人发展和相互交缘。 1997年12月23~24日，由国家自然科学基金委组织的“材料损伤断裂机理与宏微观力学理论”重大项目验收专家组①，在清华大学听取了该重大项目和各个课题负贵人的汇报，审查了项目和各个课题的总结报告和研究成果目录。项目执行期间，共计发表学术专著 6部，学术论文783篇（其中国际学术刊物中247篇，全国性科技期刊中315篇，国际会议大会递请报告32篇)。获国家及部委级奖励共10项，其中国家自然科学三等奖2项，中科院自然科学一等奖2项，教委科技进步一等奖2项，冶金部科技进步一等奖1项。专家组经过了认真的讨论，一致达成下述意见： 1.“材料损伤断裂机理与宏微观力学理论”的重大项目组在国家科委和国家自然科学基金委共同支持下，在1993年11月至1997年12月共四年零两个月的期间内完成了项目任务书所规定的各项内容，取得了一批重要成果，造就了一支学术水平高的中青年研究队伍。 2.“八五”期间，重大项目组正在实现力学与材料两个学科研究队伍的结合，该项目组已成为一支能协同进行材料的力学行为研究、处于国际研究前沿的基础性研究队伍。 3,重大项目组取得了下述学科进展和重要成果： (1)由宏观深人到微细观，在晶体硬化矩阵确定、细观相变塑性本构和原子-连续介质嵌套模型方面取得了重要进展。 (2)通过电镜加载原位观察，揭示了位错不均匀发射与纳米裂纹汇合相交织的断裂物理过程，提出了考虑位错发射影响及由位错塞积驱动的准解理断裂的理论模型。 (3)利用激光热-力联合加载装置，发现了称为“反冲塞”的新的破坏模式，并提出相应的分析模型。 (4)提出了脆性和准脆性材料损伤的徽裂纹扩展取向区理论和微裂纹演化的数密度统计理论。 (5)建立了可描述细观损伤演化、联系宏-细观损伤变形的损伤演化物理方程，给出了由细观损伤动力学表示的报伤演化率方程：发展了一套可观察.采集细观损伤演化组长：张兴钤：刮组长：高倾同，成员：颜鸥梨，柯伟，伍小平，朱兆样，刑帐三，嵇腥，黄筑平，吴希俊

的实验和数据处理方法（单脉冲加载和循环加载）：建立了可模拟局部化过程的多边形有限元等方法。 (6)对多滑移单晶体和具有不同取向与晶界重位因子的双晶体，进行了在疲芳载荷作用下的力学响应和位错结构的精细研究，闸明了多晶体循环应力-应变曲线和晶界疲劳裂纹萌生的特征。 (7)建立了热弹性马氏体一类材料相变本构关系的统一热力学理论框架。利用数值模拟展现了由控制相变局部化传播方向而使结构陶瓷增韧的潜力，并在理论指导下初步制备了Ce-TZP/AlzO:层状增韧陶瓷。 (8)在电致断裂、电致疲劳和电致畴变增韧方面取得重要进展。 (9)发现衡蚀和液体金属吸附能促进位错发射和运动，当它发展到临界条件时就导致环境脆断（氢脆，应力腐蚀，液体金属脆）微裂纹的形核。以上研究成果达到国际先进水平，具有较大的国际影响。建议对该领域的研究继续给予支持。本书系统地整理并集中反映了项目的部分成果，其中包括上述(2)、(4)~(9)方面的部分成果，现在分章介绍如下。第1章裂端位错发射和断裂位错理论材料韧性与脆性行为及其转换机制是断裂物理和力学的关键科学问题之一。1974年 Rice和Thomson最先提出裂尖发射位错的概念。以后二十多年的研究使人们认识到，裂纹尖端发射位错可能是确定材料韧性-跪性行为最重要的现象之一。但是Rice和Thomson 的理论在裂纹尖端人为地引入了位错芯。这个位错芯是一个非确切的概念，因此难以确切地描述位错成核过程。I992年Rice及其所领导的研究组提出了裂尖位错形核的Peierls 框架，在原子内聚力思想下研究了不全位错自裂尖的逐步形成过程，摒弃了不准确的位错芯概念。该项研究提出了一个位错形核特征量：不稳定堆垛能，其重要性相当于Griffith 为描述脆性断裂过程在1920年提出的断裂表面能。美国海军研究局(ONR)评价这项研究是近十年来这一领域的最重大的研究发现。以该研究为契机，一批固体力学家的研究开始进人传统的固体物理领域。但是，Rce等虽然对位错在裂纹尖端的成核过程作了详尽的分析，他们的分析方法难以推广到分析裂纹尖端位错发射的过程。王自强等成功地对裂纹尖端及位错发射过程进行了力学分析，建立了晶体准解理断裂的位错理论。褚武扬等通过大量的原位高倍TEM的实验观察，揭示了裂纹尖端无位错区的物理本质，发现了纳米量级微裂纹的形核过程。这些实验观察到的图像，生动地表明纳米裂纹完全不同的演化特征是韧性材料和脆性材料内桌特征本质区别的标志。因此可以认为，在材料细观结构、内部缺陷与材料变形、破坏力学之间开始渠起了定量沟通的桥梁。在宏观连续介质力学、细徽观试验观测、细观力学分析及分子动力学模拟计算的诸层次中逐步建立了定量的跨尺度连接。第1章主要反映中科院力学所、北京科技大学、清华大学等的研究成果。 ▣+

第2章脆性材料的微裂纹扩展区损伤模型材料从变形到破坏要经历一个复杂的过程，这个过程中材料损伤程度不断地发展。用什么样的参量来描述材料的损伤，目前得到学术界普遍承认与应用的只有Gurson模型中所用的，并经过Needleman与Tvergaard等人修正的孔洞体积比。提出过各种各样的损伤描述参量，莫衷一是，但是得到较多人认可的不多。例如起自前苏联并在欧洲曾风行一时的、以有效面积概念为基础的折减卸载模量，有些美国学者①认为有两个缺点：一是“为时太晚”，换句话说，等到材料的卸载模量有所降低时，材料已经颜临破坏了；另一是“过于宏观”，也就是细做观的机制反映不够。本章中针对含微裂纹的固体，提出了一种在取向空间中的微裂纹扩展区的损伤描述方法，可以预测材料拉伸与压缩时各个变形阶段中的细观损伤机制（如张开徽裂纹的一次和二次扩展，闭合微裂纹的摩擦滑移、自相似扩展和弯折扩展)，分柝应力跌落和应变软化所对应的损伤和变形局部化过程以及残余变形的细观机理。并可得到在复杂加载路线下材料的细观损伤演化与各向异性损伤的本构关系。虽然由于脆性材料中多种损伤机制并存，该细观模型不可避免地比较复杂，却是在细观损伤力学中一个重要的尝试。第2章主要反映清华大学的研究成果。第3章变形与损伤的局部化理论变形局部化是材料与结构破坏的一种重要模式。在第3章中建立了一套较系统的可描述细观损伤演化、联系宏观、细观损伤变形的损伤演化物理方程，从理论上探索损伤形核机理和宏观尺度过程。建立了一套可观察、采集细观损伤演化的实验和数据处理方法（单脉冲加裁和循环加载)。提出了在循环加载下损伤局部化是由裂纹群体演化过程所致，损伤位形敏感性和损伤矩响应则是该过程的主要特点：单脉冲加载下局部化的徽观机理表明，局部化发展后期微结构间强相互作用是主导因索，形成了从细观力学模型到宏观力学行为的、多晶体材料塑性变形局部化的数值模拟的完整方案和模拟系统。形成了初步理论框架，来深人地认识相变局部化现象以及对裂纹行为的影响，并深人研究了一类陶瓷材料软化失稳和记忆合金的相变行为。第3章主要反映中科院力学所、金属所、清华大学等的研究成果。第4章面心立方晶体疲劳损伤的取向和晶界效应本章通过对疲劳损伤与裂纹萌生的晶体学关系的研究，揭示了循环形变物理损伤的本质，为长期争论的“晶体循环应力-应变曲线是否有平台区”的问题提供了结论性的解释。通过对晶界在疲劳损伤早期的作用的研究，揭示了晶界的疲劳开裂主要决定于组元晶体的取 ①据A.Needleman与本书主编之-·黄克智在90年代初的一次谈话。 ·N

向，而不是如文献报道的决定于重位点阵参数表示的晶界结构。晶界附近的残余应力及其消除、三铝化镍/铝界面的疲劳裂纹萌生、氮化硅基陶瓷晶界相与疲劳性能的关系、界面裂纹尖端的应力应变分析、双晶循环变形损伤计算模拟，以及界面附近三维位移场的测量结果，对于新材料设计和实际应用均有指导作用。第4章主要反映中科院金属所、北京科技大学等的研究成果。第5章材料与薄膜结构的强韧化力学原理材料强韧化设计应以宏微观断裂力学为纲，涉及到宏观、细观、微观3个层次。强韧化过程的宏观层次研究在于探讨断裂中能量消耗的分割：细观层次研究在于探讨断裂过程的细观演化和断裂路径的细观几何特征；：微观层次研究在于探讨断裂分离时原于运动特征，跨层次的计算需要发展多层次交叠的空间离散技术和时间加速计算技术。作为例于，本章介绍了考虑宏细观连接的梯度塑性计算方案和宏细微观三层嵌套模型。此外还概述了课题组在定量表达材料强韧化过程中所发展的力学计算方法，包括宏细观平均化计算方法、层状结构的 Hamilton型计算方法、材料强度的统计计算方法。本章概述了裂尖屏蔽、裂尖形貌控制、尾区耗能控制、裂纹面桥联、裂纹扩展路径控制这 5种强韧化机制的力学原理。在上述强韧化机制的指导下，课题组研制出的Ce-TZP/AlO: 层状增韧陶瓷的断裂韧性比纯C-TZP相变增韧陶瓷提高50%；实现超钝化裂尖形貌的半晶高分于材料的动态断裂应变能提高十余倍：在拖带损伤增韧下聚碳酸酯的撕裂模量增加一个量级；在常规微米晶粒的A12O3陶瓷中添加5%~15%的SiC纳米相，使制成的纳米陶瓷复合材料的断裂能达到原基体材料的3.5倍。在薄膜制备研究中得到了均匀、致密的晶态PCN,超硬薄膜，纳米压痕计测定该膜的体积模量达到349GPa。发展了压人法和接触疲劳对滚法这两种测量膜基结合强度的有效方法。第5章主要反映清华大学、大连理工大学、北京科技大学、西安交通大学等的研究成果，也包括与美国Princeton大学Z.Suo教授，Illinois大学Urbana-Champaign枚区H.J.Hsia 和Y.Huang副教授合作研究的成果。第6章环境断裂本章反映了近五年来的创新性成果，它们是： (1)发现金属材料任何脆性裂纹（脆性材料，应力衡蚀，氢脆，液体金属脆）的成核均是位错发射和运动到达临界状态，从而局部应力集中等于原子键合力的结果。 (2)各种环境（腐蚀介质、氢、液体金属）通过促进位错的发射和运动，从而在低的外应力下微裂纹就成核，环境能阻得微裂纹钝化成空洞从而脆性扩展。环境也使塑性应变局部化，从面导致宏观脆断。 (3)发现在应力衡蚀体系中钝化膜（或脱合金层）界面会产生附加拉应力，它协助外应 ·y