细观力学和细观损伤力学.pdf

细观力学和细观损伤力学.pdf

《细观力学和细观损伤力学.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《细观力学和细观损伤力学.pdf（9页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

第22卷第1期1992年2月25日力学进展Vol。

22Feb。

25,呱1ADVANCESINMECHANICS1992细观力学和细观损伤力学米杨卫清华大学工程力学系,北京（邮政编码100084）提要本文扼要地阐述细观力学的定义和范畴;探索其主要研究课题和应用领域,展示细观损伤力学的新进展多并对细观力学的未来发展趋势加以展望.关键词细观力学;细观损伤力学,材朴强初化;界面力学1引盲近年来固体力学的研究呈现出两极分化的态势,即分叉为针对（宏观）结构的研究和针对（固态）材料的研究.前者追求于越来越真实的工程环境,越来越复杂的计算几何和越来越智能化的电脑软件,而后者则侧重于探讨不同固体材料在变形、损伤与破坏时所产生的本质现象与因果关系.虽然结构方面的研究与结构工程及计算机科学紧密联系,而材料方面的研究与物理学及材料科学息息相通,但它们均具有用连续介质力学的方法去进行结构分析这样l个共同点.前者的研究对象为宏观工程结构,而后者却为细观一微观材料结构.细现力学就是这一力学分析方法在后一研究范畴里集中、系统的体现,它的迅速崛起已使力学分析方法有效地渗透到各种材料体系的研究之中,并进而推动了固体力学和材料科学的学科发展.细观力学的奠基应归功于Taylo:

“等人在细观塑性理论方面的开创性工作.细观损伤力学虽然在50年代就已初具雏形,但这一学科却一直迟至70年代才开始起飞.细观力学的分析方法在80年代渗透到几乎所有的工程材料,如金属与合金、金属间化合物、岩石、混凝土、结构陶瓷、结构高分子、各种形式的复合材料及微电子元件材料,从而使细观力学发展的第1阶段,即用力学的方法来分析解释各种材料的力学行为,得以完全展开.从90年代起,细观力学步入其第2阶段,即在力学原理上设计和试运行具有超级使用性能的各类材料,即超级材料（supermaterials）.本文力图扼要地阐述细观力学的定义和范畴,探索它所涉及的主要研究课题和应用领域,尤其是细观损伤力学的新进展,最后在力所能及的范围内对细观力学的未来发展趋势加以展望。

2定义与范璐2。

1尺度国家自然科学基金资助调研项目.本文曾在1990年11月北京“固体力学发展趋势讨论会”上宣读.细观力学是近年来才流行起来的术语.得益于中文语义的精微,本文将细观力学定义为用连续介质力学方法来分析的具有细观结构（即材料在光学或常规电子显微镜下可见到的细结构或微结构）的材料的力学向魔,而将微观力学定义为必须从经典统计力学或量子力学出发来研究的lbJ题.细观力学与英文中submieroseopiemeehani。

s,micr。

me。

hanics和me。

o-mcchanics的含义大致相当,但并不完全一致.它所研究对象的尺度可以从几个到10儿个埃（入）（如对位错形核和发射的研究）至毫米（mm）尺度（如大晶粒多晶和复合材料层合板）.在这一相差为6个数量级的尺寸跨度下,还存在着多个过渡性的研究尺度,它们分别对应着专门的研究间题与研究方法,见表1“.不同的研究尺度与各种材料体系相组合,便构成了丰富多彩的细观力学范畴.表1不同尺度下的变形力学问两尺度研究命题学科“原子键合、电子之间交互作用量子力学原子热涨落、扩散、速率过程统计力学位错位错运动与交互、塑性流动、强化机理位错理论、细观力学滑移滑移、织构、几何软化晶体塑性学细结构相沉淀、细观损伤（孔洞与微裂纹）、相变物理冶金学、细观损伤力学晶粒晶界、点阵取向、孪晶金相学连续介质延性、流动局部化（颈缩与宏观剪切带）、宏观断裂连续介质力学结构结构几何、环境效应、完整性分析计算力学2.2方法作为固体力学与材料科学的交叉学科,细观力学可兼容这两门学科中各自建立的方法论.除力学工作者熟悉的连续介质力学理论、计算力学和实验力学方法外,细观力学中还汲取了固体物理理论（如位错理论、晶体塑性理论、高分子物理等）、显微量测技术和近代物理量测技术.基于离散物质结构（如晶体的粒子动力学模拟、高分子的离散链结构模拟）的计算技术最近一也开始应用于材料力学行为的研究,但这些技术超出了本文所定义的细观力学的范畴.除引用固体力学与材料科学的现有方法外,细观力学本身还不断产生新的研究方法,如从小尺度至大尺度的均匀化（homogenization）方法和从大尺度至小尺度的离异化（heterog。

nization）方法,缺陷场理沦和守恒积分等,并大大促进了各种数学、物理、力学和材料科学方法的结合与发展.2。

3研完目标细观力学研究固体材料在力学加载环境下其细观结构的萌生与演变,并追溯这一演变过程与材料行为的关系.在这一研究的基础上,材料学家与力学家可不断修改材料设计以达到在使用条件下最优的材料表现行为.一旦这一研究目标得以实现,具有优化设计的“超级结构材料”便可以在细观力学的研究方法下闭环地产生.下节中将举例说明细观力学可以解决的若干问题。

3问题与应用3.1固体力学的基础理论尽管宏观连续介质力学已日臻完善,但在固体的塑性和破坏理论中还遗留下许多重要的、且无法在宏观尺度上解决的理论空白.而细观力学可提供解决这些基础理论问题的关键信息.例如,固体塑性大变形的几何理论和本构框架（包括变形分解、界面效应、旋率选择、本构方程的基本结构、热力学理论、织构演化等）.细观力学为材料物质构元提供了确定的框架结构及该框架结构在外力环境下的演化识别规律,从而使上述问题得以阐明.固体的非均匀变形理论（包括流动局部化、损伤集中、材料稳定性等）.细观力学给出了与非均匀变形相联系的材料微结构演化,从而使非均匀变形理论得以封闭.固体的破坏理论（包括破坏模式、破坏过程、延脆性判断、断裂准则、宏观裂纹形核、疲劳机理等）.细观力学可以在细观尺度上给出破坏过程的儿何图像和演化趋势.固体在高温、高速和相变过程下的响应.细观力学可给出这些特殊环境下变形机理的演变与异化.3.2材料的优化设计材料的优化设计是细观力学的主要应用领域之一其设计包括:

分子设计（如定向分子链束）;微结构设计（如沉淀与弥散硬化、橡胶球增韧高分子）;细结构设计（如高强混凝土）,相热力学设计（如相变增韧结构陶瓷、形状记忆合金）;复合结构设计（如各种复合材料、晶须增强陶瓷）;界面设计（韧界面高温陶瓷、纤维增强复合材料、涂层设计）.考虑上述跨越材料的不同设计要素将可能使渊源于任何新型材料的优化设计思想得以推动几种材料门类的发展,这已成为新型先进材料研制的一个特色“;4.下面分几类材料来阐述它的应用.3.2.1金属与合金位错、孔洞和相界面等细观结构的设计可从本质上决定材料的塑性、破坏和高温强度行为,细观力学的主要方法都是从金属材料研究中产生的,并将进一步在这一领域中发挥作用.细观力学在金属材料研究中导致新学科思想产生的例子有:

裂尖与位错交互作用的研究使得裂尖无位错模型得以产生6.,该模型利用了裂纹尖端的位错解“17,.裂纹尖端晶体塑性场的最新研究结果,从实验和理论上8以及从详细有限元计算上。

揭示了在一定晶体取向下裂纹尖端前缘区会发生弹性卸载,从而否定了原有类HRR（H“tch认“On一Ricc一Roscng:

en）场的假设。

.这一发现为晶粒取向的增韧设计提供了定量的依据.3.2.2岩石与混凝土微裂纹结构的演化和变形局部化行为的控制是决定岩石与混凝土材料的强度和变形性能的主要依据.基于细观力学研究可发展设计高强混凝土川.3.2.3结构陶瓷著名的BHL（Budiansky一HutChinson一L:

mbropoulos）理论对结构陶瓷相变增韧解释是细观力学研究的1个成功范例.关于纤维增强韧化、晶须增韧、微裂纹屏蔽的研究更使细观力学成为设计新型结构陶瓷的主要工具之一这一领域的研究正在美国的东、西海岸展开,并己经取得了相当出色的结果,如结构陶瓷的断裂韧性K,。

值比已往增高了l个量级t,洲.3.2.4结构高分子材料高分子材料的1个特点是可以从分子、交联以及相结构几个尺度上设计材料,且其增强或增韧幅度很大.如热塑性材料在橡胶球增韧后可由控制银纹构形而使断裂能提高10一30倍.塑料的刚度提高1个量级的例子也比比皆是.在热固性树脂中加入弥散第2相的强韧研究亦取得很大进展4一”.3.2.5复合材料复合材料综合了不同一单相材料的一长处.对其材料力学行为的有意义的研究必须借助细观力学进行.界面行为、损伤和动态行为对复合材料尤为重要,且其细观沟元应视为各向异性体.轻金属基、陶瓷基复合材料的发展异常迅速,后者利用各相之间的镀层来达到增韧是近年细观力学应用的又一范例.复合材料细观尺度的特点使得纤维斜挂和大范围桥联等新型力学命题得以提出?

J.复合材料结构在环压下的扩展式细观屈曲伺题是美国海军在90年代将予以资助的一个重要课题.关于均匀式压缩细观屈曲的工作己由F卜ck&BudianskyL8一予以综述,而对非均匀扩展式压缩细观屈曲的工作亦正在展开”,._3.3细观界面力学址然在宏观分析中一也遇到界面力学问题,但在细观尺度上这一间题往往更集中,因为细观结构的引入使得界面变为不可避免.细观界面力学涉及细观界面的滑错、损伤、断裂和幼钧作用.3.3.1界而滑错细观界面（如晶界）的滑错在多晶体金属大变形过程I一卜占有重要地位.如常温一1.高纯铝的变形“,“,和高温下的晶界滑移.这一滑错导致多品体内部变形场的细观不连续和不均匀,从而使Toylor假设仁,“J失效.对这一机理下产生的晶体塑性理论和宏观预测正引起力学家的重视.利用弱界面镀层来增韧脆性相是界面滑错现象的1个有效的应用2“J,这一方法己成为高温陶瓷基复合材料增韧的主要措施之一3.3.2界面损伤界面的延性损伤是当前界面研究的1个热点“4,25.由于裂纹和孔洞往往在界面上首先形成,所以对这一问题的研究将使我们有可能预测宏观缺陷的萌生模式.界面损伤有均匀、局部非均匀、周期非均匀等模式,而最后1种情况的判别准则可借助于塑性失稳理论“己.3.3.3界面断裂界面断裂间题在最近3年内取得了令人瞩目的突破“7一“之3.这一进展使人们得以从理论分析和测试上定量地标定界面断裂行为.界面断裂的最突出的特征在于本质上是混合型的断裂驱动力和断裂韧性参数.对准静态间题可证明其裂尖振荡接触区的尺度很小（甚至小于原子间距）,但这一推断对高速定常扩展裂纹（裂纹扩展速度与剪切彼滩同量级）的情况尚有疑间“,“.最近发展的界面层断裂理论仁3“可能使界面断裂力学获得新进展。

3.3.4界而强韧作用界面强韧作用可用两个例子说明:

纳米（nm）级超微晶粒,这时经过适当定义的“界面体积”甚至有可能超过非晶面部分的体积.大量界面的存在使获得接近理论强度的材料成为可能.具有延性界面的复合材料,利用延性界面的滑移变形,可使复合体的高温韧度比脆性陶瓷基体增加许多倍,类似的机理也可以解释复合材料破坏时所期待的纤维逐渐拔出行为.裂纹对韧性界而的穿透、拐折及沿界而扩展后所可能的偏离一行为“对增闭作用来说是非常重要的因素.3.4微电子元件细观力学的发展使固体力学步入微电子元件这一新领域.其主要研究课题和应用对象有;3.4.1集成电路界面剪切失效分析这类失效常常由于薄膜金属镀层与硅基片的制造应变差产生,也可能由使用中出现的热疲劳而逐渐造成.其力学分析的关键在于研究薄膜粘合界面边缘产生的剪应力集中”7.减小该处的应力集中可降低集成电路的废品率,增加其使用寿命.3.4.2多层超晶格元件（multi一layorstlPerlattice）这时薄层中的外延生长应变（。

pitoxialstroin）很高,由其导致的能带结构将产生独特的电子学性能.3.4.3高应变膜层中的位错滑出（threadingdisloeation）在共格生成的薄层中的主要缺陷是位错.而位错的生成和扩展主要受到“临界层厚”的控制.己经十分清晰地观察到这些位错的缓慢运动.由于其高度稀疏性,我们可在连续介质位错理论下研究这些理想的位错构形,包括模拟其生成和发展“一4“3.3.4.4薄膜力学薄膜力学已成为近年来力学界所注重的1个中心课题（见MechaniCsUSA,1990”.）在屈曲泡（blister）驱动下薄膜体自层间开裂,并产生“电话线”形态的破坏结构,是目前国际力学界研究的1个新热点（见文献28Ch.6,7）.3.4.5超导元件的织构控制超导元件大都由陶瓷基颗粒状材料压制而成.其压力加工过程中,通过一定的力学加载过程（包括应力状态,加载历史等）来控制这些颗粒的压实和转动,以获得具有确切织构的元件,从而使超导性能进一步提高.对这一间题的力学研究刚刚展开.眨眨l“班肠王映“在.、图1多层厚膜热涂工艺过程的失效问题曰曰.目一一二二二二二二二二二巴二二.巴亡二二二尸尸-,.,.、,叫叫!

J,二。

一一.二二卿卿瓤瓤界摘及J图2牙膏间题3.4.6压电晶体的界面断裂压电晶体的界面断裂出现1个很有趣的现象,即除1对共扼的振荡奇异项外,还出现1对反常奇异项心2.3,4,7多薄层超级硅片结构的破坏分析目前微电子元件的发展己由单层结构发展到多层（大于100层）结构.这些细观的“摩天大楼”所具有的力学破坏行为已成为电器制造商如国际商用机器公司（IBM）公司所最感兴趣的研究方面之一这时的破坏形式可以是层间开裂,高分子薄膜的延性破坏以及略低于界面的基体平行开裂（图1）.著名的“牙膏问题”（延性芯线在基体热循环过程中挤出,来触发薄膜层的层间开裂/届曲泡）更涉及错综复杂的细观力学分析（图2）.4细观损伤力学细观损伤力学后来居上,在80年代中后期代替了连续介质力学（cDM）盯主导了损伤力学的发展.这一转变即由于细观损伤力学能描述不同材料中的具体损伤过程,也得益于细观力学分析方法的成熟.下面分5个方面采介绍其发展态势.4。

1延性损伤延性损伤主要由微孔洞的形核、扩展和片状汇合所描述.在这一描述中目前占主导地位的是G毋son理论及其改进应用.虽然Gtjrson理论在力学模型和损伤描述上尚有欠缺,但目前尚无更严格且简单的模型来取代它.GurS。

n理论已经有效地应用于各种延性损伤场合,从断裂模式识别3到断裂韧性估计“.目前人们更关心裂纹与孔洞5,以及孔洞之间的近程作用过程4“,这些研究将促进关于孔洞汇合和裂纹分离过程的研究.4。

2脆性损伤脆性损伤发生在结构陶瓷、金属间化合物、岩石、混凝土、玻璃、非金属基复合材料和热固性树脂之中.其主要的表现形式是单重或多重弥散分布的微裂纹.目前关于微裂纹群的研究主要集中于宏观刚度预测,借助于自洽理论丁,和差分格式8等方法.关于微裂纹的演化和近程作用是1个更复杂的间题,日前尚未能得到可以揭示这一过程本质的简吩理论.因此未来的主要研究方向在于用脆性损伤理论来预测强度.复合材料中的多重裂纹和界面裂纹涉及更多的力学问题.由微裂纹引起的细观损伤有时加剧主裂纹的扩展速度,有时却对这一扩展起屏蔽作用4,.如何控制这一过程而达到增韧效果是1个有意义的课题.4.3高温界面损伤界面损伤包括高温下的晶界空穴化过程和常温下的界面损伤过程.后一过程前面已经提及,这里主要讨论晶界空穴化过程.对幂次律蠕变基体控制的晶界空穴化过程可由H讯chios。

:

一Tv。

rg:

。

rd理论”。

5,来描述.更详细的研究需考虑3维滑移的影响5艺.如何将上述理论与现有的孔洞损伤理论相结合而评价高温强度仍是1个未解决的问题.4.理损伤集中很少有均匀发展的损伤破坏过程.因此,材料对破坏的抗力主要体现在对损伤集中的抵抗能力.对损伤集中的研究牵涉到下述3个问题:

各种本构方程所固有的损伤集中特征”“,.这项研究还可以推广到静水应力下的损伤集中,剪切下的损伤集中,等等,从而获得对各种现行的本构方程更深刻的理解.适用于损伤集中条件下的本构方程.这类方程需具备大剪切下的无振荡性,应能描述包括微缺陷汇合在内的近程作用和急剧损伤下产生的物质脱离过程（如2相粒子的脱落）.设计具有最佳损伤集中行为的材料.完个弥散损伤和过度集中的损伤均不利于材料对宏观断裂的抗力,而适度集中的损伤可在断裂过程区通过合理的柔度匹配而达到屏蔽和增韧的效果.应该把这一思想贯彻于材料设计5发展趋势细观力学在90年代的主要目标是有效地参与材料设计.这一趋势可以用美国加州大学圣巴巴拉分校最近建立的材料研究所（URI）为例说明.该研究中心的宗旨在于集中大批固体力学和材料科学的精英来研究新型超级材料的设计.基于上述总体发展趋势,本文分5个方面来展望细观力学在90年代的发展.5.1基本方法细观力学的主要方法是均匀化方法“4和本征应变方法“5,5“.前者的原型是自洽理论而后者来自Eshelby相变应变问题.断裂力学和位错力学的基本方法也在细观力学中起着重要作用,并形成了完整的缺陷场理论.我们可望细观力学方法在90年代会在下述方面取得重要进展:

统计理论将与细观力学的现有方法相结合,从而深化人们对细观损伤的生成与汇合的认识,细观力学理论将提出更好的材料热学力学结构,以澄清宏观塑性理论中的遗留问题,数学稳定性理论,包括微分方程的定性理论将会应用于损伤集中分析;分叉、突变和混沌理论将会步入对基体损伤和界面损伤的研究.5.2细观计算力学细观计算力学的发展一直是近10年来细观力学发展的主要特征和推动力.随着大型CRAY一YMP计算机开始应用于细观力学计算,目前在这方面的主要发展方向有:

在美国国家科学基金会（NSF）的超级机资助制度支持下,对更复杂细观结构的大型计算将得到进一步的发展;发展可适用于任意3维位错构形的计算方法,该方法可剔除位错所产生的强奇异性.这一算法将促进在金属塑性理论,位错胞和多轴疲劳理论,微电子元件的缺陷控制理论等领域中的定量数值实验,发展可描述界面断裂奇异性的奇异单元,从而更好地描述薄膜、复合材料问题中的特征参数,发展超级大型机上计算细观力学问题的并行技术.5.3细观实验力学细观力学同时受到从材料科学量测技术中发展起来的细观实验力学方法的推动.在90年代将起重大作用的方法可能包括:

显微图像重建和特征识别方法。

这一方法可与动态显微观察技术和计算机图像识别技术相结合而解决对细观损伤演化的监测技术.作为其发展的最初1种变型,显微网格法已成功地用于裂纹尖端场”7,和晶界滑错2“J之中.超声和光声显微镜量测技术,此方法可以在一定的分辨率下识别出物体各点声学张量的变化.但目前主要局限于表面层内的细观损伤识别.若辅之以适当的理论模型和后处理软件,此方法也可以用于预测体内的平均损伤行为.多方位透析扫描技术和各向异性损伤识别.这时信号分布的平均值和均方差将分别对应于损伤程度和各向异性特征.5.4动态细观力学目前的细观力学研究主要集中在准静态问题.在90年代力学家们将会对动态细观力学问题产生更大的兴趣.可能探讨的主要间题有:

细观损伤在应力波加载下的演变（如复合材料中的层间损伤在冲击载荷下的扩展与止裂）,细观损伤的动态形成过程（如剪切带的动态形成石“）,动态界面力学,包括界面的散射和动态界面断裂力学,对后者其振荡奇异性与裂纹扩展速度有关;细观损伤的动态量i则技术,关键在于高速摄影技术的应用,微裂纹的动态演化与分叉研究,参考文献1TaylorGI,J.I”st.Metal。

62（1938）:

3072YangW（杨卫）LeeWB（李荣彬）.Eng三neeringMieropIastieity.Bookmanuseripttobepublis五edbySpringor一VerlagPress（1991）3Evans人G.T卜erneehaniealpropert;esoffibre一reinforeedeeramie,metalandintermetalliematrixcompos;tos.toapPear（1991）4黄克智,场卫,余寿文.材料强韧性理论与断裂力学.第6届全国断裂学术会议论文集,浙江富阳（1991）:

747一752弓O五r5M.Maz.Sei.凡Te。

11.,72（1985）:

1一3弓6Rie。

JRT,onl、ooR.尸人fl.了a夕.,29（1974）:

73一977GaoIJ,RleeJR.J.九fee舌.P丙y;.Solid,37（1989）:

15弓一1748KimKS.Anexperimentalstudyoflargedeformationeraek一t诬pPas*ieity.PaP亡rpr郎e幻亡。

士ion爪tIointFEFG/ICFConf.onFraetureEn旦.Mat.&Srrue亡.,Singapore,Aug.19919Mo五anR,OrtizM,ShihCF.Numeriealst往die,oneraeksinduetilesingleorystal,undermodelloading.士0appear（1991）10RieeJRHawkDE,AsaroRJ.I。

矛.JFra亡tore,42（1990）:

30111Ba:

a,t2P.刀尹夕1.Mee人.Reo.,39（1985）:

67弓.12EvanoAG.J.A”:

er.Cera,.Soc.,73（1990）:

187一20613孙庆不黄克勿,众寿文.力学进展,20（1990）:

289一30214Yan叮WF:

ZL（傅增力）,SunYS（Il以实）.Aera五了ee五.Sf成e。

5（1989）:

332一3421弓.1方i口,7（1991）:

131一13916,e亡君.Proe.ofICM一6,K.oto,Japan,Ju!

y29一Aug.2,1991,Vol.3:

343一34817Suo2.EaoG,FanB.DelaoioationReur犯sP五。

nomenaduetodamage.toaPPear（1991）18FleekNABudianskyB.Compressivefail“reoffib犯eomposi*e、d”eto角ierobuekling.IUTAMSymp.Inel.Def.Comp.Mat.,May29一J“nel,199019Ya:

gw,WeiYG（魏悦广）.Ior.J.Da爪ageMec而.,1（1992）20ZliongZ（仲政）,YangW,HwangKC（黄克智）.A。

raMec五.Sf。

了ca,7（1991）:

360一36821YangW,ZhongZ,HwangKC.Meso一deformationandeonstit住tiverelationsofslidiogpol了er3性tal,IUTAMSyop.onCRFDPM,Beijing,July1991,Springer一VerlagandPek呈ngUniv.Press22BishopJFW,HillR.P人艺1.Mag.,42（1951）:

41423EvansAG,HCMY,I于utehinsonJW.J.Am.CeraofcSoe.,72（1989）:

2300一230324Neod!

emonA.J.Ap夕1.Mee人.,54（1987）:

52弓2弓.J.Moc丙.P五夕5.501玄d。

38（1990）:

289265从02.OrtiZM,NeedlemanA.Stabilityofsolids,ithinterfaoes.toappear（1991）27RieeJR,S:

02,WnngJ一5.1二几了e才al一Cera附fe