材料强度理论与断裂规律研究的新进展

材料强度理论与断裂规律研究方面取得新进展

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（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，并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。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。