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固体工程材料及其结构与人类发展如影相随，贯穿了人类社会发展的每个阶段。工程材料结构的破坏在带给人类灾难的同时，也不断被探索。然而，从四大强度理论到更为细分的各类强度准则，目前已经存在上百种强度经验公式，且通常以较大安全系数来确保结构安全，为工程设计带来诸多不便与浪费。
近年来，中山大学王彪教授发展了一套基于非平衡热力学框架的材料及结构的强度理论，将工程材料结构在外载作用下的变形和演化过程转化为热力学非平衡态演化过程，通过明确演化过程中系统在外扰下的失稳条件，确定工程材料结构的破坏条件，为材料结构的破坏预测提供了系统的理论框架。部分研究结果近期发表于Engineering Fracture Mechanics 。
材料强度的研究从伽利略的梁弯曲实验算起，已有300多年的历史。力学强度(strength)，指物体的抗破坏能力。随着工业革命的兴起，金属材料大量使用。为了判断材料在复杂应力状态下是否破坏，材料的强度理论随之快速发展。最为熟知的四大强度理论为最大拉应力理论Galileo (1638)、最大伸长线应变理论Mariotte (1686)、最大切应力理论Tresca (1864)、形状改变比能理论von Mises (1913)，适用于抗拉伸破坏和抗压缩破坏性能相同或相近的材料。其中，前两种适用于脆性材料，后两种适用于塑性材料。对于如岩石、铸铁、混凝土、土壤等抗拉伸和压缩破坏能力差别较大的材料，德国的O．Mohr于1900年对最大切应力理论作了修正，认为引起材料发生剪切破坏的主要原因是某一截面上的剪应力达到了极限值，但也和该截面上的正应力有关，即莫尔强度理论。近期，西安交通大学俞茂宏教授在前人基础上将等效应力写为一系列等效应力的集合，提出一种统一强度理论。
随着金属材料的大量应用，大型结构及军事武器在二战期间得到空前应用，裂纹等缺陷的危害也悄然登场。二战期间，美国建造大约2700艘船舶，由于采用焊接结构取代铆接，导致400多艘船舶由于焊接裂纹等缺陷发生严重破坏，其中20艘完全断裂。船舶由于裂纹导致的严重事故使得断裂力学在格里菲斯1920年提出的应变能释放率准则的基础上得到实质性的发展。Irwin(1948)、Rice(1968)、Hutchinson(1968)以及我国和世界各国一些优秀的力学家做出系列杰出工作，使得断裂力学不断完善，并得到了工程界的广泛接受和应用。材料的断裂韧性和容许的缺陷尺寸等也进入到大量的工程结构设计规范中。通常情况下，复杂应力状态下的强度理论需要通过有限简单实验获得材料破坏参数，然后引进假设并建立经验准则，并经过实验验证得以完善，最后进入了大量工程结构的设计规范。然而，材料部件强度的决定长久以来依赖于经验性的四大强度准则，尽管在工程结构的设计中，工程师可以借助有限元等数值方法计算变形和应力场的分布，但最终还是依赖经验的强度准则确定安全的结构尺寸。针对工程材料结构的破坏和失效问题，能否发展严格的科学预报理论取代经验公式呢？近年来，中山大学王彪教授课题组发展了连续介质热力学理论，将材料及其结构的强度预报问题纳入非平衡热力学框架，对上述问题做了解答。核心思想是将工程材料结构在外载作用下的变形和演化过程转化成非平衡态演化过程，通过明确演化过程中每个平衡态在外部扰动下的失稳条件确定任意工程材料结构的破坏条件和破坏过程[1-6]。
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]。
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）SPCE 270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。[1] Wang, B. 'A General Thermodynamic Theory for Predicting the Failure Property of Material Structures with Complex Loadings,' Engineering Fracture Mechanics, 2021; 254, 107936. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2021.107936[2] Wang, B. “The intrinsic nature of materials failure and the global non-equilibrium energy criterion,” Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2020; 63(12), 124611. https://doi.org/10.1007/s11433-020-1610-8[3] Chen, J, Liu, W, Wang, B. “Prediction of theoretical strength of diamond under complex loadings,” Extreme Mechanics Letters, 2021; 44: 101233. https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101233[4]Liu, Z. and Wang, B. “Prediction on the theoretical strength of diamond, c-BN, Cu and CeO2”, AIP Advances, in press, DOI: 10.1063/5.0063928.[5] Wang, B. “Material Strength: A Rational Nonequilibrium Energy Model for Complex Loadings,” Journal of Applied Mechanics, 2021; 88(2), 021008-1—021008-7. https://doi.org/10.1115/1.4048988[6] Zhou, J, Wang, B. “Erratum: 'Material Strength: A Rational Nonequilibrium Energy Model for Complex Loadings’ [ASME J. Appl. Mech., 88(2), p. 021008; DOI: 10.1115/1.4048988],” Journal of Applied Mechanics, 2021; 88(10). https://doi.org/10.1115/1.4051333论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013794421003623?via%3Dihub点击下方知社人才广场，查看最新学术招聘 小程序，
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