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
力促进位错发射和运动，导致应力腐蚀。不发生应力病蚀的体系则测不出膜致拉 应力。 (4)把氢促进局部塑性变形和氢降低键合力以及氢压相结合，分别提出了氢敛韧断、脆 断和沿品断的新理论。 (5)发现了·-系列新的实验现象：氢和应力促进腐蚀并存在协同作用：发现相间应力腐 蚀及阴极腐蚀：1997年国家重点及部门开放实验室评估小组认为，在断裂的微观 研究及应力腐蚀这两部分工作达到国际领先水平。 第6章反映北京科技大学的研究成果。 本书第1章由王自强负贵编写，第2章由余寿文与冯西桥编写，第3章由白以龙负贵编 写（其中3.1节由白以龙、凌中执笔，3.2节由洪友士执笔，3.3节由徐永波执笔，3.4节由陆 明万、孙庆平执笔)，第4章由王中光与林实编写，第5章由杨卫编写，第6章由格武扬编写。 全书结构由黄克智，肖纪美等讨论决定，由黄克智负责审读并提出修改意见。 最后指出，本书远非重大项目（项目批准号：19392300）的全部重要成果，还有例如激光 热-力联合加载下“反冲塞”的新破杯模式及分析模型，晶体硬化矩阵确定方法，电致断裂，电 致疲劳和电磁增韧方面的成果，以及应变梯度塑性理论方面的成果，因限于篇幅，均未能系 统地加以反映，将在今后适当时机介绍。本书的出版得到国家自然科学基金委的资助，特此 致谢。 黄克智肖纪美 1999年4月2日 ·M
目 录 第1章裂端位错发射和断裂位错理论…”1 1.】前言…不不4……1 】.2裂端位错行为的实验观察…………2 1.2.1裂瑞位错发射………… 2 】.2.2纳米裂纹形核和演化… 1.2.3裂纹尖端原子像………… 1.3裂端位错发射理论分析……8 1.3.】早期Rice-Thomson理论… ……8 】.3.2基于Peierls框架的理论模型 10 1.3.3位错发射理论分析………………”13 1.4断裂位错理论………* 】.4.1考虑位错发射影啊的断裂准则… 1.4.2准脆性断裂的位错理论… …23 1.4.3考虑非线性效应的断裂位错理论… …3] 1.5裂端位错行为的分子动力学模拟…36 1.5.】计算方法……… 37 1.5.2毅纹尖端位错发射…39 1.5,3位错发射的不稳定堆垛能…… 41 1.5.4温度对裂尖位错发射的影响…42 1.5.5裂纹方位与晶体滑移几何对位错发射的影响………… 44 1.5.6位错列与晶界之间的作用+………………45 1.5.7三重嵌套摸型……… 48 1.5.8关联参照模型………51 参考文献……… …58 第2章脆性材料的微裂纹扩展区损伤模型………………62 2.1脆性材料拉伸的礅裂纹扩展区模型……… 62 2.1.1单个张开币状徽裂纹引起的柔度张量…*”62 2.1.2三轴拉伸情况下的微裂纹扩展区… 64 2.1.3复杂加载下微裂纹扩展区的演化…65 2.1.4脆性损伤材料的本构关系…”66 2.1.5准脆性材料本构关系的四个阶段及细观损伤机制… 67 ·1