项目名称： 固体的微尺度塑性及微尺度断裂研究

推荐单位： 中国科学院

项目简介： 本项目属固体力学研究领域。固体的微尺度塑性及微尺度断裂研究主要涉及固体在细观和微观层次的强度、韧性和断裂等关键问题的研究。成果包括理论模型的建立和相关数值方法的提出和发展等。本课题组在此方面取得了具有原创性和引领性的成果, 得到了国内外同行的广泛承认和高度评价。

1.解决了应变梯度理论建立过程中遭遇的"断裂强度为负"和"无有限元法可用"的两大困惑(Puzzle)。建立了可压缩F-H型塑性应变梯度理论和在国际上率先提出了适合该理论分析的有限元方法, 被美国UIUC教授Y.Huang和美国科学院/工程院两院院士Nix评价为"非常有效"的方法。对应变梯度理论的成功建立和广泛应用起了核心的(Central)推动作用, 产生了重要的国际影响。

2.从第一原理计算结合理想晶体的大变形失稳理论出发, 提出了固体理论强度的一种严格算法, 依此获得了对铝和碳化硅理论强度的预测。成果被作为材料理论强度的标准值被包括5位中外院士在内的学者的多次重点引用, 其中被加州大学伯克利分校Cohen 院士和Morris 院士01年评价为该方面"仅有的两项进展"之一。

3.提出了不含高阶应力的应变梯度理论, 克服了含高阶应力理论在计算上的困难和边界条件的复杂性。被作为一种代表性的理论在国际上被广泛采用。被美国学者Pucha和Gao等人评价为：是一种"非常有效"、"在应用上非常有诱惑力"的理论。

4.由系统的实验研究建立了具有微结构的材料的微硬度的简捷Taylor型关系, 成功地表征了该类材料的微压痕尺度效应, 被新加坡学者评价为"比Nix-Gao关系更精确"并被国内外学者广泛采用。

本项目是固体微尺度力学研究领域的实质性重要进展, 在该领域产生了广泛国际影响并引发了大量的后续研究, 对该领域的发展起了实质性推动作用。

本项目共发表SCI 论文 87 篇, 被SCI 刊物引用1078 次, 其中他引810 次, 10 篇代表论文SCI 他引203 次, 均为正面引用。在引用者中, 有10 位欧、美国家的科学院院士或工程院院士和5 位中国科学院院士或工程院院士。

主要发现点： (1)、发现材料可压缩性对塑性应变梯度效应有很重要的影响。Fleck-Hucthinson为解释微尺度下的材料力学现象，提出了塑性应变梯度理论，但是该理论仍无法解释实验中测量出的材料微尺度断裂的超高强度。我们发现可压缩性对塑性应变梯度效应有很重要的影响，而F-H理论仍采用经典塑性理论中的材料不可压缩。于是，我们建立了可压缩性的F-H型塑性应变梯度理论，从而有效地解决了材料微尺度断裂超高强度的表征。[细观力学, 本构关系; 文1, 5]

(2)、发现著名的C1连续单元低估了位移一阶导数的作用。我们发现广泛应用的Zienkiewicz 的C1连续单元法不适合应变梯度问题的分析，因为采用该有限元法位移一阶导数项的贡献被低估了，而应变梯度项的作用被放大了，从而导致错误的结果。据此，我们提出了基于纯位移导数的适合应变梯度分析的新有限元方法，其有效性得到广泛证实。[细观力学; 文1]

(3)、发现通常采用第一原理计算固体的理论强度时，由于势函数是由固体在零载荷平衡状态的性质确定的，因而导致强度(远离平衡状态的力学量)的计算与实验结果出现较大偏差。我们基于第一原理的赝势平面波理论和理想晶体的大变形失稳理论，提出了固体理论强度的一种严格算法，并成功地用于对铝和碳化硅的理论强度的预测。[物理力学, 断裂力学; 文2, 6, 8]

(4)、发现高阶应力导致应变梯度理论数值分析的困难和边界条件的复杂性。第一类应变梯度理论包含有高阶应力项，由此必须引入位移导数形式的边界条件，从而导致了应变梯度问题的处理难度。鉴于此，提出了一种不含高阶应力的应变梯度理论，使得问题的分析大为简化而且十分有效。[细观力学; 文3, 7]

(5)、实验中发现微/纳米结构材料的微硬度和界面能均与常规尺度量(如, 压痕深度; 断裂过程区尺寸)和微结构几何量(如, 晶粒尺寸; 薄膜厚度)相关，采用已有的Nix-Gao模型和无位错核模型均难以对其进行有效表征。我们提出了微硬度计算的简捷Taylor型关系和跨尺度界面断裂模型，既刻划了几何必需位错密度的影响，又计及了微结构几何特征的影响。[实验固体力学, 细观力学; 文4]

(6)、发现金属材料在微尺度下表现出脆性破坏特征，从而说明在微尺度下微裂纹群体的产生并导致断裂成为可能，因此有必要研究并解决微裂纹群体的交互作用问题。我们分别针对二维微裂纹和三维币状微裂纹的群体交互作用情况，建立了虚拟位错解析法，解决了这一难题。[断裂力学, 细观力学; 文9, 10]

（其中，核心发现点：（1）—（4）； 其他重要发现点：（5）—（6））

主要完成人： 魏悦广

发现材料可压缩性对塑性应变梯度效应有很重要的影响, 建立了可压缩F-H型塑性应变梯度理论(主要发现点1)；发现著名的C1连续单元低估了位移一阶导数的作用, 不适合应变梯度分析, 提出了适合应变梯度分析的新有限元方法 (主要发现点2)；对微/纳米结构材料的微硬度和界面能进行了系统的实验和理论研究，提出了微硬度计算的简捷Taylor型关系和跨尺度界面断裂模型(主要发现点5)。本人在该项目的工作量占本人总工作量的90%

王自强

基于第一原理的赝势平面波理论和理想晶体的大变形失稳理论，独创地提出了固体理论强度的一种严格算法，并成功地用于对铝和碳化硅的理论强度的预测(主要发现点3)；发现高阶应力是导致应变梯度理论数值分析的困难的主要原因，提出了不含高阶应力的应变梯度理论，使得问题的分析大为简化而且十分有效(主要发现点4, 5)；建立了虚拟位错解析法，解决了微尺度断裂时微裂纹群体交互作用的难题(主要发现点6)。在该项目的工作量占本人总工作量的80%

陈少华

发现高阶应力是导致应变梯度理论数值分析的困难的主要原因，提出了不含高阶应力的应变梯度理论，使得问题的分析大为简化而且十分有效，并进一步将提出的不含高阶应力的应变梯度理论成功地应用于分析了微细杆扭转、微梁弯曲、微压痕尺度效应以及薄膜失效等力学难题(主要发现点4, 5)。在该项目的工作量占本人总工作量的80%