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(xué)院

項目簡介： 本項目屬固體力學(xué)研究領(lǐng)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(xì)觀和微觀層次的強(qiáng)度、韌性和斷裂等關(guān)鍵問題的研究。成果包括理論模型的建立和相關(guān)數(shù)值方法的提出和發(fā)展等。本課題組在此方面取得了具有原創(chuàng)性和引領(lǐng)性的成果, 得到了國內(nèi)外同行的廣泛承認(rèn)和高度評價。

1.解決了應(yīng)變梯度理論建立過程中遭遇的"斷裂強(qiáng)度為負(fù)"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(yīng)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(xué)院/工程院兩院院士Nix評價為"非常有效"的方法。對應(yīng)變梯度理論的成功建立和廣泛應(yīng)用起了核心的(Central)推動作用, 產(chǎn)生了重要的國際影響。

2.從第一原理計算結(jié)合理想晶體的大變形失穩(wěn)理論出發(fā), 提出了固體理論強(qiáng)度的一種嚴(yán)格算法, 依此獲得了對鋁和碳化硅理論強(qiáng)度的預(yù)測。成果被作為材料理論強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值被包括5位中外院士在內(nèi)的學(xué)者的多次重點引用, 其中被加州大學(xué)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(jìn)展"之一。

3.提出了不含高階應(yīng)力的應(yīng)變梯度理論, 克服了含高階應(yīng)力理論在計算上的困難和邊界條件的復(fù)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(xué)者Pucha和Gao等人評價為：是一種"非常有效"、"在應(yīng)用上非常有誘惑力"的理論。

4.由系統(tǒng)的實驗研究建立了具有微結(jié)構(gòu)的材料的微硬度的簡捷Taylor型關(guān)系, 成功地表征了該類材料的微壓痕尺度效應(yīng), 被新加坡學(xué)者評價為"比Nix-Gao關(guān)系更精確"并被國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用。

本項目是固體微尺度力學(xué)研究領(lǐng)域的實質(zhì)性重要進(jìn)展, 在該領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛國際影響并引發(fā)了大量的后續(xù)研究, 對該領(lǐng)域的發(fā)展起了實質(zhì)性推動作用。

本項目共發(fā)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(xué)院院士或工程院院士和5 位中國科學(xué)院院士或工程院院士。

主要發(fā)現(xiàn)點： (1)、發(fā)現(xiàn)材料可壓縮性對塑性應(yīng)變梯度效應(yīng)有很重要的影響。Fleck-Hucthinson為解釋微尺度下的材料力學(xué)現(xiàn)象，提出了塑性應(yīng)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(qiáng)度。我們發(fā)現(xiàn)可壓縮性對塑性應(yīng)變梯度效應(yīng)有很重要的影響，而F-H理論仍采用經(jīng)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(yīng)變梯度理論，從而有效地解決了材料微尺度斷裂超高強(qiáng)度的表征。[細(xì)觀力學(xué), 本構(gòu)關(guān)系; 文1, 5]

(2)、發(fā)現(xiàn)著名的C1連續(xù)單元低估了位移一階導(dǎo)數(shù)的作用。我們發(fā)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的Zienkiewicz 的C1連續(xù)單元法不適合應(yīng)變梯度問題的分析，因為采用該有限元法位移一階導(dǎo)數(shù)項的貢獻(xiàn)被低估了，而應(yīng)變梯度項的作用被放大了，從而導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。據(jù)此，我們提出了基于純位移導(dǎo)數(shù)的適合應(yīng)變梯度分析的新有限元方法，其有效性得到廣泛證實。[細(xì)觀力學(xué); 文1]

(3)、發(fā)現(xiàn)通常采用第一原理計算固體的理論強(qiáng)度時，由于勢函數(shù)是由固體在零載荷平衡狀態(tài)的性質(zhì)確定的，因而導(dǎo)致強(qiáng)度(遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的力學(xué)量)的計算與實驗結(jié)果出現(xiàn)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(wěn)理論，提出了固體理論強(qiáng)度的一種嚴(yán)格算法，并成功地用于對鋁和碳化硅的理論強(qiáng)度的預(yù)測。[物理力學(xué), 斷裂力學(xué); 文2, 6, 8]

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

(5)、實驗中發(fā)現(xiàn)微/納米結(jié)構(gòu)材料的微硬度和界面能均與常規(guī)尺度量(如, 壓痕深度; 斷裂過程區(qū)尺寸)和微結(jié)構(gòu)幾何量(如, 晶粒尺寸; 薄膜厚度)相關(guān)，采用已有的Nix-Gao模型和無位錯核模型均難以對其進(jìn)行有效表征。我們提出了微硬度計算的簡捷Taylor型關(guān)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(jié)構(gòu)幾何特征的影響。[實驗固體力學(xué), 細(xì)觀力學(xué); 文4]

(6)、發(fā)現(xiàn)金屬材料在微尺度下表現(xiàn)出脆性破壞特征，從而說明在微尺度下微裂紋群體的產(chǎn)生并導(dǎo)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(xué), 細(xì)觀力學(xué); 文9, 10]

（其中，核心發(fā)現(xiàn)點：（1）—（4）； 其他重要發(fā)現(xiàn)點：（5）—（6））

主要完成人： 魏悅廣

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

王自強(qiáng)

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(wěn)理論，獨創(chuàng)地提出了固體理論強(qiáng)度的一種嚴(yán)格算法，并成功地用于對鋁和碳化硅的理論強(qiáng)度的預(yù)測(主要發(fā)現(xiàn)點3)；發(fā)現(xiàn)高階應(yīng)力是導(dǎo)致應(yīng)變梯度理論數(shù)值分析的困難的主要原因，提出了不含高階應(yīng)力的應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)點6)。在該項目的工作量占本人總工作量的80%

陳少華

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