材料强度预报的热力学理论

来源：中国科学杂志社

如何准确预报各种工程结构中所用材料的强度是保证各种工程结构安全的关键。500多年来，力学等多学科的科学工作者持续不断地开展了大量有价值的研究工作。然而，到目前为止，由于问题的复杂性，所建立的强度模型和预报理论主要还是基于前人所建立的公设和大量数据所归纳的经验公式。因此，许多学者也把材料破坏的预报问题归纳为固体力学的终极问题之一。最新的一项研究尝试了把材料强度的预报问题纳入理性的非平衡态热力学的框架。相关的研究论文题为：“The intrinsic nature of materials failure and the global non-equilibrium energy criterion”，发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy （《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版）2020年第12期，由中山大学王彪教授撰写。文章把所研究的受载材料样本当成是热力学体系，随着加载进行，材料微结构将产生损伤演化，通过建立演化过程中每一个平衡态的稳定性条件进而建立材料破坏的强度准则。研究发现了一些与前人认知不同的材料强度的本质特性，如材料的破坏状态类似于临界想象，是一种全局的性质，局域准则和研究方法可能会导致错误的结果。对于含有裂纹的材料，该强度理论同断裂力学中的应变能释放率准则和J积分等预报结果是一致的。该项工作的另一个核心贡献在于利用本征应变的概念模化材料中存在的各种不同类型的缺陷，进而导出了材料体系在外载作用下，含有微结构演化破坏过程的自由能表达式。作为例子，文中把该理论用于多种材料强度问题的预报，并得到了有限的实验结果的验证（如下图所示）。强度理论的说明和预报结果的实验验证该项研究的核心是摒弃前人主要依据经验公式建立强度模型的弊端，把强度预报问题纳入理性的分析范畴。随着新材料的大量涌现，经验型的强度准则层出不穷，作者认为可以利用热力学状态失稳性判据发展统一的强度评价方法和准则，很可能改变工程中长期采用的结构安全性设计和评估的规范和方法。进一步的研究也发现，基于局域本构方程的传统连续介质力学的方法很难对于变形局域化的行为进行正确的预报，而基于作者发展的连续统热力学的方法，不需要针对不同的材料建立其本构方程，而只需利用变形过程中能量驱动力和阻力就可以实现对其在外载作用下变形局域化的行为进行准确的预报。利用金属长杆在拉伸载荷作用下变形的颈缩行为作为例子，通过引进金属材料的塑性耗散能可以准确地预报出这一现象，不需要利用材料的本构方程。