固体工程材料及其结构与人类发展如影相随|工程材料结构的破坏可以准确预报吗？( 二 )

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图2.材料结构强度非平衡热力学理论框架
受载工程材料结构作为一热力学系统，其状态可由数个选定的状态变量描述。随着加载的进行，系统从一个平衡态演化到另一个平衡态，通过分析系统状态函数(如自由能泛函)的形态可以确定该热力学系统的稳定性条件，据此可确定系统的破坏准则以及破坏顺序和机理。很明显，该理论体系基于热力学第一，二定律，不依赖经验公式。
此外，该体系对材料结构的失效模式没有任何限制，只需要将描述失效的因素作为状态变量包含在热力学势中。换言之，工程材料结构的初始失效无论是由部件失稳、断裂还是其它机制引起，该理论框架都可以预报，因而它具有广泛的适用性。
以全局能量准则为基础，同时得出了关于材料结构失效或破坏本质的一些新结论，如：材料的强度依赖于材料样本的整体结构，而非材料的本征属性。相反，若采用传统最大局部应力准则进行的预报结果与实验结果出入较大（图3）。在此观点基础上，预报了材料强度的尺寸效应、纳米孪晶金属的应力应变关系、含缺口铌酸锂单晶的强度等，结果与实验结果相吻合[1,2] 。以不同材料结构在各类载荷作用下发生的破坏模式作为算例，计算结果充分证明了该连续介质热力学理论的普遍适用性[1] 。基于此理论框架，利用第一性原理计算系统在外载做用下的自由能函数，作者也成功预报了多种典型材料在复杂加载条件下的理想强度[3,4] 。

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图3.采用局部应力最大准则与全局能量准则预报铌酸锂单晶随缺口长度变化的强度对比。全局能量准则与实验结果相符合[2] 。
同时，作者考虑了延性金属材料在复杂载荷作用下的强度问题。传统的方法采用单轴拉伸等简单实验确定经验强度准则中参数，利用第三或第四强度准则进行预报。基于本理论架构，作者把塑性变形时自由能中耗散能展开为塑性偏斜张量的幂函数，并利用单轴拉伸载荷作用下应力-应变曲线确定展开系数，从而实现对任意复杂加载条件下的体系强度进行预报，其结果与实验值相比吻合很好，准确性得到充分验证（图4）。该理论在进一步应用于拉伸导致的颈缩，压缩导致的失稳等多种情形时，均给出了令人满意的预报[5,6] 。
图4.由所建立的连续介质热力学理论预报（a）无间隙原子钢、（b）SPCE270钢、（c）5182铝合金以及（d）AZ31镁合金薄片在应变空间中的强度轮廓图，并与相应的实验结果对比[1] 。
为了使该连续介质热力学理论得到广泛的应用，课题组正在开展数值仿真模块开发与各类材料实验工作。研究成果有望使工程结构的强度评估摆脱经验模型的桎梏，最大限度发挥材料的潜能，理论体系成熟后进入不同行业的安全设计和评价规范将给社会带来不可估量的经济效益。
参考资料
[1]Wang,B."AGeneralThermodynamicTheoryforPredictingtheFailurePropertyofMaterialStructureswithComplexLoadings,"EngineeringFractureMechanics,2021;254,107936.https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.107936
[2]Wang,B.“Theintrinsicnatureofmaterialsfailureandtheglobalnon-equilibriumenergycriterion,”ScienceChinaPhysics,Mechanics&Astronomy,2020;63(12),124611.https://doi.org/10.1007/s11433-020-1610-8
[3]Chen,J,Liu,W,Wang,B.“Predictionoftheoreticalstrengthofdiamondundercomplexloadings,”ExtremeMechanicsLetters,2021;44:101233.https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101233
[4]Liu,Z.andWang,B.“Predictiononthetheoreticalstrengthofdiamond,c-BN,CuandCeO2”,AIPAdvances,inpress,DOI:10.1063/5.0063928.