在工程领域，理想的结构材料需兼具高强度与优异韧性，然而这两者往往难以兼得。这一矛盾并不广为人知，因为在日常语境中，人们常将强度和韧性混为一谈。实际上，强度指的是材料抵御不可逆变形（如塑性变形）的能力，而韧性则关乎材料抵抗断裂的能力，通常以断裂能量来衡量。韧性还可以通过断裂力学方法来评估，比如计算引发或扩展已有裂纹所需的临界裂纹驱动力，如应力强度因子K、应变能释放率G或非线性弹性J积分等参数。关键在于材料能否承受有限的塑性变形——正是这种特性赋予了材料韧性。因为这种能力有助于耗散局部高应力，避免材料发生断裂。这也是为何硬质材料往往更脆，而那些更易发生塑性变形的低强度材料通常更具韧性（见图1a）。

 

图1 强度与韧性的矛盾The conflicts between strength and toughness

a显示了工程材料的强度-韧性关系。

 

材料的变形机制丰富多样，不仅限于晶体材料中位错运动引起的塑性形变。实际上，非弹性变形可以通过多种途径发生，例如金属和陶瓷中的相变、牙齿牙本质和骨骼中矿化胶原纤维的滑动、贝壳中矿物片层的摩擦运动，甚至包括导致断裂的机制，如地质材料和骨骼中的微裂纹以及金属玻璃中的剪切带传播。这里的关键词是“有限”，因为过度变形会削弱材料的韧性。韧性是一种折衷，它通常被视为强度和可变形性（延展性）这两种机械性能的结合，而这两者往往相互排斥。随着对更强材料的追求，人们可能会怀疑这些材料是否还能保持韧性。然而，韧性并非如此简单；即使缺乏延展性，也能实现韧性。脆性材料如陶瓷就是一个例子，它们通常无法通过促进塑性来增强韧性。要理解这一点，我们需要将断裂过程视为一种矛盾现象：从断裂力学的角度来看，这是内部（促进裂纹扩展）与外部（阻碍裂纹扩展）增韧机制之间的竞争。

材料断裂的奥秘是多维度的，而纳米/微观结构扮演着核心角色。在裂纹尖端，一个微妙的过程区悄然形成，这里第二相可能会经历开裂或解粘等关键过程。内部增韧机制在此发挥着重要作用，它增加了裂纹扩展的难度，深刻影响着裂纹的起始和传播。与此同时，外部增韧机制则聚焦于裂纹尾部，通过桥接等手段降低作用于裂纹尖端的局部应力和应变，有效阻碍裂纹的进一步扩展。这些外部机制多样而复杂，无论是复合材料中的纤维桥接、单相陶瓷中的晶粒间断裂摩擦咬合，还是骨骼中胶原纤维跨越微裂纹的现象，它们都只能对已有裂纹产生影响。外部增韧的效果与裂纹的长度密切相关，这导致了一种被称为韧性行为的现象——即为了维持裂纹的亚临界扩展，需要增加裂纹驱动力。内部增韧是韧性材料抗断裂的关键因素。大多数金属材料通过这种方式实现增韧，因此材料强度越高，可用于内部增韧的塑性就越少。从钢制压力容器到铝合金飞机机身等关键结构应用中广泛采用这些合金的较低强度版本，以预防过早失效的风险。

 

在材料科学领域，新型金属玻璃材料（BMG）以其卓越的强度和独特的性能脱颖而出。这些100%非晶态材料展现出惊人的抗拉强度，轻松达到1-2GPa。然而，由于缺乏位错，BMG主要通过剪切带的启动和扩展来塑性变形，这可能导致材料变得异常脆弱。在拉伸过程中，单一剪切带可能穿透整个样品，引发微小应变下的断裂。为了赋予这些高强度材料韧性，关键在于在剪切带空洞化并转变为裂纹之前局部阻断它们。这样做可以促进多个剪切带的形成，释放局部高应力。一种有效的方法是制备BMG基复合材料，在其中掺入晶体第二相——树枝晶——以阻断剪切带（如图2所示）。但树枝晶的间距必须足够小，在剪切带/裂纹引发灾难性失效前就将其阻断。换句话说，树枝晶间距的特征微观尺度必须与失效临界裂纹尺度的特征力学尺度相匹配。

 

 

图2 金属玻璃合金的强度和韧性策略

 

在材料科学的前沿，Zr-Ti-Nb-Cu-Be玻璃以其42-67体积%的树枝晶含量，展现出了卓越的断裂韧性（100-160 MPa m1/2）和拉伸屈服强度（1.1-1.5 GPa），成为结构材料中罕见的强度与韧性兼备的佼佼者。更令人瞩目的是，一种单相无定型Pd-Ag-P-Si-Ge玻璃合金，以其惊人的强度和韧性性能脱颖而出。这种合金通过精心选择成分，实现了高体模量与低切模量的完美结合。在负载下，它们能够产生大量剪切带，模拟出大尺度塑性变形（如图2c所示），而这些剪切带却不会进一步发展成裂纹。这些合金的断裂韧性高达200 MPa m1/2，拉伸强度超过1.5 GPa，堪称史上最耐损伤的材料。尽管成本高昂且目前只能制成直径约6 mm的小截面产品。对于脆性材料而言，外部增韧是其增韧的主要手段，在许多情况下甚至是唯一的途径。在单相陶瓷材料如碳化硅、氮化硅和氧化铝中，内部增韧需要改变键合强度，这在实际操作中是不可行的。然而，通过促进裂纹偏转和晶粒桥接等机制，这些材料可以轻松实现外源性增韧（如图3所示）。晶界断裂通常是这些机制发挥作用的关键条件。以碳化硅为例，在穿晶断裂时其断裂韧性约为2-3 MPa m1/2；而在沿晶断裂时，则可达到10 MPa m1/2。关键在于沿晶界存在脆性纳米级玻璃薄膜这一微观结构特征，它促进了晶界开裂和晶粒桥接的过程，从而显著提高了材料的韧性。

 

图3单晶陶瓷的外部增韧

 

自然界的奇迹在材料科学中也能找到其影子。以贝壳为例，它们展示了自然界在制造既坚硬又韧性十足的材料方面超越人类的能力。生物和自然材料之所以如此出色，很大程度上归功于它们的分层结构，这种结构从分子层面一直延伸到接近宏观尺度，赋予了它们独特的特性。内部增韧机制，即塑性变形，通常发生在亚微米尺度，类似于金属中的纳米位错。而外部增韧和断裂过程则在更宏观的微米尺度上发生。以人体皮质骨为例，内部增韧——塑性变形——源自纳米至几百纳米尺度的纤维滑移机制，这与矿化胶原纤维密切相关。然而，随着年龄的增长、辐射的影响或某些疾病的侵袭，骨骼可能会变得脆弱。这是因为胶原交联增多，抑制了这一机制；内部增韧随之转移到更大的尺度，并通过对微裂纹相关的非弹性变形来实现。尽管如此，骨骼的主要韧性来源还是外部性的，这主要得益于裂纹桥接和偏转，在裂纹遇到更高矿化界面的骨质结构时发生。

 

图4:骨骼的七个层次结构及其主导的增韧机制

 

受生物启发的陶瓷,事实上陶瓷材料通常,具有出色的比强度,可与金属相媲美。事实上,类珍珠氧化铝陶瓷的比强度和韧性与金属铝合金相似,因此可能用作轻质装甲。许多金属玻璃可能不具有如此低的密度。尽管钯基合金具有出色的抗断裂性,但其密度比镍基合金高20%,比钛高一倍,这无疑会是其潜在应用的一大考虑因素。然而,大多数结构材料,包括碳纤维增强塑料,最初都是应用于消费品领域。金属玻璃也不例外,它们可能首先用作手机和笔记本电脑的外壳,这更多取决于其制造的便利性,而不是其具体力学性能。

 

 

来源：老千和他的朋友们

关键词： 材料强度 韧性