項目名稱： 固體的微尺度塑性及微尺度斷裂研究

推薦單位： 中國科學院

項目簡介： 本項目屬固體力學研究領域。固體的微尺度塑性及微尺度斷裂研究主要涉及固體在細觀和微觀層次的強度、韌性和斷裂等關鍵問題的研究。成果包括理論模型的建立和相關數值方法的提出和發展等。本課題組在此方面取得了具有原創性和引領性的成果, 得到了國內外同行的廣泛承認和高度評價。

1.解決了應變梯度理論建立過程中遭遇的"斷裂強度為負"和"無有限元法可用"的兩大困惑(Puzzle)。建立了可壓縮F-H型塑性應變梯度理論和在國際上率先提出了適合該理論分析的有限元方法, 被美國UIUC教授Y.Huang和美國科學院/工程院兩院院士Nix評價為"非常有效"的方法。對應變梯度理論的成功建立和廣泛應用起了核心的(Central)推動作用, 產生了重要的國際影響。

2.從第一原理計算結合理想晶體的大變形失穩理論出發, 提出了固體理論強度的一種嚴格算法, 依此獲得了對鋁和碳化硅理論強度的預測。成果被作為材料理論強度的標準值被包括5位中外院士在內的學者的多次重點引用, 其中被加州大學伯克利分校Cohen 院士和Morris 院士01年評價為該方面"僅有的兩項進展"之一。

3.提出了不含高階應力的應變梯度理論, 克服了含高階應力理論在計算上的困難和邊界條件的復雜性。被作為一種代表性的理論在國際上被廣泛采用。被美國學者Pucha和Gao等人評價為：是一種"非常有效"、"在應用上非常有誘惑力"的理論。

4.由系統的實驗研究建立了具有微結構的材料的微硬度的簡捷Taylor型關系, 成功地表征了該類材料的微壓痕尺度效應, 被新加坡學者評價為"比Nix-Gao關系更精確"并被國內外學者廣泛采用。

本項目是固體微尺度力學研究領域的實質性重要進展, 在該領域產生了廣泛國際影響并引發了大量的后續研究, 對該領域的發展起了實質性推動作用。

本項目共發表SCI 論文 87 篇, 被SCI 刊物引用1078 次, 其中他引810 次, 10 篇代表論文SCI 他引203 次, 均為正面引用。在引用者中, 有10 位歐、美國家的科學院院士或工程院院士和5 位中國科學院院士或工程院院士。

主要發現點： (1)、發現材料可壓縮性對塑性應變梯度效應有很重要的影響。Fleck-Hucthinson為解釋微尺度下的材料力學現象，提出了塑性應變梯度理論，但是該理論仍無法解釋實驗中測量出的材料微尺度斷裂的超高強度。我們發現可壓縮性對塑性應變梯度效應有很重要的影響，而F-H理論仍采用經典塑性理論中的材料不可壓縮。于是，我們建立了可壓縮性的F-H型塑性應變梯度理論，從而有效地解決了材料微尺度斷裂超高強度的表征。[細觀力學, 本構關系; 文1, 5]

(2)、發現著名的C1連續單元低估了位移一階導數的作用。我們發現廣泛應用的Zienkiewicz 的C1連續單元法不適合應變梯度問題的分析，因為采用該有限元法位移一階導數項的貢獻被低估了，而應變梯度項的作用被放大了，從而導致錯誤的結果。據此，我們提出了基于純位移導數的適合應變梯度分析的新有限元方法，其有效性得到廣泛證實。[細觀力學; 文1]

(3)、發現通常采用第一原理計算固體的理論強度時，由于勢函數是由固體在零載荷平衡狀態的性質確定的，因而導致強度(遠離平衡狀態的力學量)的計算與實驗結果出現較大偏差。我們基于第一原理的贗勢平面波理論和理想晶體的大變形失穩理論，提出了固體理論強度的一種嚴格算法，并成功地用于對鋁和碳化硅的理論強度的預測。[物理力學, 斷裂力學; 文2, 6, 8]

(4)、發現高階應力導致應變梯度理論數值分析的困難和邊界條件的復雜性。第一類應變梯度理論包含有高階應力項，由此必須引入位移導數形式的邊界條件，從而導致了應變梯度問題的處理難度。鑒于此，提出了一種不含高階應力的應變梯度理論，使得問題的分析大為簡化而且十分有效。[細觀力學; 文3, 7]

(5)、實驗中發現微/納米結構材料的微硬度和界面能均與常規尺度量(如, 壓痕深度; 斷裂過程區尺寸)和微結構幾何量(如, 晶粒尺寸; 薄膜厚度)相關，采用已有的Nix-Gao模型和無位錯核模型均難以對其進行有效表征。我們提出了微硬度計算的簡捷Taylor型關系和跨尺度界面斷裂模型，既刻劃了幾何必需位錯密度的影響，又計及了微結構幾何特征的影響。[實驗固體力學, 細觀力學; 文4]

(6)、發現金屬材料在微尺度下表現出脆性破壞特征，從而說明在微尺度下微裂紋群體的產生并導致斷裂成為可能，因此有必要研究并解決微裂紋群體的交互作用問題。我們分別針對二維微裂紋和三維幣狀微裂紋的群體交互作用情況，建立了虛擬位錯解析法，解決了這一難題。[斷裂力學, 細觀力學; 文9, 10]

（其中，核心發現點：（1）—（4）； 其他重要發現點：（5）—（6））

主要完成人： 魏悅廣

發現材料可壓縮性對塑性應變梯度效應有很重要的影響, 建立了可壓縮F-H型塑性應變梯度理論(主要發現點1)；發現著名的C1連續單元低估了位移一階導數的作用, 不適合應變梯度分析, 提出了適合應變梯度分析的新有限元方法 (主要發現點2)；對微/納米結構材料的微硬度和界面能進行了系統的實驗和理論研究，提出了微硬度計算的簡捷Taylor型關系和跨尺度界面斷裂模型(主要發現點5)。本人在該項目的工作量占本人總工作量的90%

王自強

基于第一原理的贗勢平面波理論和理想晶體的大變形失穩理論，獨創地提出了固體理論強度的一種嚴格算法，并成功地用于對鋁和碳化硅的理論強度的預測(主要發現點3)；發現高階應力是導致應變梯度理論數值分析的困難的主要原因，提出了不含高階應力的應變梯度理論，使得問題的分析大為簡化而且十分有效(主要發現點4, 5)；建立了虛擬位錯解析法，解決了微尺度斷裂時微裂紋群體交互作用的難題(主要發現點6)。在該項目的工作量占本人總工作量的80%

陳少華

發現高階應力是導致應變梯度理論數值分析的困難的主要原因，提出了不含高階應力的應變梯度理論，使得問題的分析大為簡化而且十分有效，并進一步將提出的不含高階應力的應變梯度理論成功地應用于分析了微細桿扭轉、微梁彎曲、微壓痕尺度效應以及薄膜失效等力學難題(主要發現點4, 5)。在該項目的工作量占本人總工作量的80%