国家自然科学基金重大项目 材料的损伤断裂机理 和宏徽观力学理论 黄克智 肖纪美 主编 清华大学出版社 http://www.tup.tsinghua.edu.cn
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 黄克智肖纪美主编 清华大学出版社
(京)新登字158号 内容提要 “材料损伤断裂机理与宏微观力学理论”系国家自然科学基金支持的重大项目 (项目批准号为19392300)，经专家组验收，一致认为本项目取得了一批重要成果， 并达到了国际先进水平，具有较大的国际影响。本书系统地整理并集中反映了项目 的部分成果，主要包括裂端位错发射和断裂位错理论、脆性材料的微裂纹扩展区损 伤模型、变形与损伤的局部化理论、面心立方晶体疲劳损伤的取向和晶界效应、材 料与薄膜结构的强韧化力学原理以及环境断裂等内容。 本书供从事力学和材料科学的研究人员、教师及研究生学习参考。 图书在版编目(CIP)数据 材料的损伤断裂机理和宏微观力学理论/黄克智，肖纪美主编.一北京：清华大学出版社， 1999 ISBN 7-302-03713-2 1.材·.①黄·②肖·.①材料-损伤（力学）-理论②材料-断裂机理③材料力 学N.TB301 中国版本图书馆CIP数据核字(1999)第42882号 出版者：清华大学出版社（北京清华大学学研大厦，邮编100084） http://www.tup.tsinghua.edu.cn 印刷者：清华大学印刷厂 发行者：新华书店总店北京发行所 开本：787×10921/16印张：15.5字数：364千字 版次：1999年12月第1版2000年8月第2次印刷 书号：ISBN7-302-03713-2/O·221 印数：1001~2000 定价：38.00元
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