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材料强度理论与断裂规律研究取得新进展
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材料强度理论与断裂规律研究取得新进展 来源：沈阳材料科学国家(联合)实验室 | 作者：末知 | 编辑：aqlove 沈阳材料科学国家(联合)实验室材料疲劳与断裂研究部张哲峰博士的研究组最近在材料强度理论与断裂规律的研究中取得最新进展，他们将四个经典的断裂准则：最大正应力准则、屈特加（Tresca）准则、范•米塞斯（van•Mises）准则和莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则有机地统一起来，而提出了一个新的统一拉伸断裂准则—椭圆准则。该项研究成果得到两位评审人的一致高度评价，将发表在2005年3月11日出版的«物理评论快报»上。 材料的强度与破坏理论是研究材料在各种应力下的屈服或破坏的规律，它的研究最早可以追溯到400多年以前，伽利略（Galileo: 1564-1642）在研究砖、铸铁和石头的拉伸断裂时，发现当施加应力达到一临界值时材料发生断裂，这即是最大正应力准则或第一强度理论。随后库仑（1737-1806）在研究土和砂岩的压缩强度后，于1773年提出：当材料的破坏沿着一定剪切平面进行时，所需的破坏力不但与剪切力有关，也与剪切面上的法向力有关。1900年德国科学家莫尔（1835-1918）将最大主应力莫尔圆引入到库仑强度理论中，因而这个破坏准则现在被称为莫尔-库仑准则。1864年，屈特加提出了最大剪切应力准则或称屈特加准则。1913年，范•米塞斯考虑了变形能的作用，提出材料的屈服条件为其变形能达到某一临界值，此即范•米塞斯准则或第四强度理论。除了上述四个最著名的强度理论或准则外，到目前为止，人们关于不同材料的破坏规律曾经提出了上百个模型或准则，但由于材料性质的复杂性，大多数模型或准则都不具有普适性。 最近10多年来，一种新的材料—块体金属玻璃材料被发现和广泛研究，金属玻璃材料具有极高的强度（1-5GPa）和极低的塑性变形能力，在单向载荷作用下常常表现出典型的脆性剪切断裂。张哲峰博士于2003年很好地归纳了金属玻璃材料的拉伸-压缩剪切断裂的不对称性，从宏观和微观两方面解释了这种不对称性的物理机制，研究结果发表在«物理评论快报»上（Fracture Mechanisms of Bulk Metallic Glassy Materials, Phys. Rev. Lett., 91 (2003) 045505）。最近他又系统地总结了铜基、锆基、铝基、铁基、钯基、镍基、镧基和钴基等各种金属玻璃材料的拉伸断裂规律，发现上述四个经典的断裂准则均不能很好地解释金属玻璃材料的断裂特性。为此，张哲峰博士提出了一个新的统一拉伸断裂准则—椭圆准则，该准则不但能合理地解释金属玻璃材料所特有的拉伸断裂规律，而且还将上述四个经典的断裂准则有机地统一起来。 在该统一断裂准则中，他认为脆性材料的拉伸破坏或者以剪切方式，或者以正断方式，因而存在两个临界应力 和 ，其中 是在剪切面上无正应力时的临界剪切断裂强度，而 是在拉伸正断面上无剪切应力时的临界断裂强度。同时他定义了一个新的参数 为材料的断裂方式因子，它是材料的特有属性，并能控制材料剪切断裂角的大小。当 时，材料的剪切断裂角接近45度，该统一准则与屈特加准则一致，也与描述单晶体屈服的施密特定律一致。当0 时，该统一准则与莫尔-库仑准则和范•米塞斯准则是一致的；同时他发现大多数金属玻璃材料的断裂方式因子范围为：1/3 2/3，致使其拉伸剪切断裂通常发生在50-65度角范围，并且具有高强度和比较小的拉伸-压缩断裂强度的不对称性。当 时，该统一准则预测材料的破坏形式为拉伸正断，这与最大正应力准则是一致的，同时也能合理地解释其他脆性材料严重的拉伸-压缩断裂强度的不对称性。从某种意义上讲，上述四个经典的断裂准则可以分别看作是该统一断裂准则在某一种极端条件下的特殊形式，这为揭示各种不同性能材料的普遍破坏规律提供了新的参考判据。根据参数 的范围，他进一步将各种材料划分为3种类型，即：延性晶体材料、高强度材料（如金属玻璃和纳米结构材料）和高硬度脆性材料（如陶瓷、铸铁和岩石等）。上述不同类型材料的强度与断裂规律正在继续研究之中。 上述研究工作得到了中国科学院“百人计划”项目、国家自然科学基金和全国百篇优秀博士学位论文作者专项基金的资助。 |
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