首先，明确强度和韧性两个概念。 强度是指材料在外力作用下抵抗破坏（变形和断裂）的能力。 强度实验研究主要是研究构件的受力状态，通过其受力状态来预测损伤失效的条件和时间。 韧性是指材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 它被定义为材料在破裂前可以吸收的能量与其体积的比率。 我个人的理解：强度是评价材料承受压力的能力； 韧性是评价材料承受变形的能力。 （以上内容如有不当之处，敬请批评指正。）

对于大多数结构材料来说，同时具有高强度和高韧性至关重要。 然而不幸的是，高强度和高韧性这两种特性常常是相互排斥的。 尽管人们不断地寻找更强、更硬的材料，但如果这种大块材料不具备适当的抗断裂能力（韧性），那么它基本上是没有用的。 人们普遍发现，强度较低但韧性较高的材料适用于大多数关键的安全应用。 在这些应用场景中，我们不希望发生过早失效或更严重的灾难性断裂事件。 由于这些原因，开发高强度和延展性材料的传统方法已经演变为试图在硬度和延展性之间找到平衡。 在这篇文章中，作者从金属玻璃、天然和生物材料以及结构仿生陶瓷中找到了一些例子，展示了处理强度和韧性之间矛盾的一些新策略。 作者特别关注强度和韧性各自作用机制之间的相互作用，并指出这些现象是由材料内在结构中非常不同的长度尺度引起的。 作者还展示了这些新型天然材料如何解决强度和韧性之间的冲突，在各自的材料类型中实现前所未有的损伤容限水平。

图1：强度与韧性的冲突

a) 是著名的阿什比图。 横轴是屈服强度，纵轴是断裂韧性。 数据涵盖几乎大部分工程材料体系； 斜虚线表示塑性区的大小，从左边中间100毫米到下角右边0.0001毫米； 白色五角星代表金属钯玻璃，紫色空心圆圈代表金属玻璃复合材料，黑色十字代表单片玻璃。 作者认为，通过改变材料成分，可以沿着白色箭头的方向进一步提高材料的韧性。

b) 显示内在（塑性）和外在（屏蔽）增韧机制如何影响裂纹扩展时的韧性行为。 内在损伤机制（促进裂纹向前）和外在裂纹尖端屏蔽机制（作用在裂纹尖端后面以防止裂纹向前发展）之间存在竞争。 内在增韧机制源于塑性，由于增加了裂纹萌生和扩展的韧性，从而增强了材料固有的抗损伤能力； 外在增韧机制降低了裂纹尖端的局部应力和应变场。 由于外在增韧机制依赖于裂纹的出现，因此它只影响裂纹扩展韧性。

图 2：提高大块金属玻璃合金强度和韧性的策略。 要获得坚固耐用的金属玻璃抗疲劳弹簧钢线，需要防止形成单一剪切带，该剪切带可以穿过材料并在几乎零应变的情况下导致材料完全失效。

a) 一种方法是添加第二相材料来捕获剪切带。 上图显示了金属玻璃基体中的多晶晶体，晶体之间的距离小于导致失效的裂纹的尺寸。

b)双合金DH1和DH3的韧性比单一基体合金(钢)提高了三到四倍,其中以不锈钢(钢)进行比较。

c) 另一种方法是大幅提高体积模量与剪切模量之比，这使得剪切带易于形成，但剪切带中导致断裂的孔洞更难形成。 例如，上图所示的单片金属玻璃形成多个剪切带，没有不稳定裂纹，并且表现出约1.5 GPa的高强度和大的裂纹张开位移（由子图中的白色箭头表示）。

d) 显示了这种金属玻璃的高韧性特性。

图3：整体陶瓷材料的外在增韧机理整体陶瓷材料的断裂韧性很大程度上取决于断裂模式。 掺杂铝、硅和硼的碳化硅材料（称为 ABC-SiC）沿着颗粒边界形成玻璃状纳米级薄膜，称为湿边界。 一般商用SiC不具有玻璃状膜边界，称为干边界。

a) 具有湿边界的ABC-SiC在断裂韧性方面表现出上升形的抗裂曲线（R曲线）。 相比之下，具有干边界的 SA 仅表现出较低的断裂韧性和水平形状的裂纹阻抗线（平坦的 R 曲线）。

b) 上图为ABS-SiC失效过程的裂纹图像。 由于裂纹会沿着脆性颗粒的边界膜破裂，颗粒会成为阻止裂纹的桥梁，并且裂纹表面的颗粒通过摩擦形成自锁，表现出没有外部增韧作用； 相比之下，下图是没有外部增韧作用的SA的裂纹趋势。 白色箭头表示裂纹的方向。 裂纹线清晰、平滑，故图a)中抗裂曲线无上升现象。 两种材料的初始开裂韧性相同，而颗粒桥联的ABS-SiC材料的裂纹扩展韧性是SA的三倍。

图 4：骨骼结构显示了七个不同尺度的增韧机制。

a) 七个不同尺度的骨骼层，从上到下分别是（1）骨组织（约50厘米），（2）骨单位和骨管（约100毫米），（3）骨纤维（约100毫米） 50毫米），（4）骨原纤维阵列（约10毫米），（5）矿化胶原原纤维（约1毫米），（6）原胶原（约300纳米），（7）氨基酸（约1纳米）。

b)表明内在和外在增韧机制在裂纹扩展过程中以不同的尺度起作用。 在最小的层面上，即胶原蛋白分子和矿化胶原纤维的尺度上，内在的塑性增韧机制通过分子拉伸和分子间滑移机制发挥作用； 在较厚的水平，即骨，在原纤维阵列尺度上，微裂纹和原纤维滑移充当内在的塑性增韧机制； 在微米尺寸上，断开裂纹表面上的原纤维阵列和胶原原纤维将增加能量耗散。 在最大长度尺度上，即几十到几百微米范围内，主要是外部增韧机制。 作用机制是大量微裂纹在遇到骨单元时发生转动和扭曲，未断裂的韧带也发挥了作用。 起到弥合裂缝的作用。

图 5：软体动物壳（珍珠层）和相应仿生陶瓷材料的增韧

a) 珍珠壳的天然微观结构是由约 0.5 微米厚的文石矿物“砖”和生物聚合物“砂浆”逐层堆叠而成。

b) 受生物珍珠贝壳启发的人造铝-聚甲基丙烯酸甲酯“砖灰”结构的微观结构视图。 从图中可以看出，部分砖块出现拉拔现象（中间红色箭头所示），聚合物粘结层沿矿物表面发生摩擦滑移（蓝框中红色箭头所指方向）。滑）。

c) 尽管天然和人造复合材料均由脆性陶瓷（碳酸钙和氧化铝）组成，但它们都表现出显着的韧性和拉伸延展性。

d) 天然和人造复合陶瓷材料均表现出上升型抗裂曲线。 从图中可以看出，人造珍珠贝微结构铝-聚甲基丙烯酸甲酯陶瓷材料在同类材料中表现出非常高的韧性（30MPa·m^(1/2)），并且呈层状。 韧性是结构材料()的两倍抗疲劳弹簧钢线，远高于相同成分的铝-聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料的韧性。 研究发现，许多天然材料的韧性比单组分材料高一个数量级。

这些例子说明，虽然强度和韧性确实是相互冲突的，但仍然有很多方法可以在不同长度尺度上采用多种塑性和增韧机制来获得同时具有高强度和高韧性的材料。 综上所述，高强韧材料的共同特点是：除了在纳米结构上采用硬质材料来提供足够的强度外，还需要通过限制非弹性变形来降低局部高应力以获得内在韧性，例如在金属中。 塑性位错、金属玻璃中的多重剪切带、骨骼中的原纤维滑移以及贝壳中的矿物层滑移； 不仅如此，在大长度尺度上还必须进一步添加外部增韧机制，例如裂纹转向和桥接。 这些增韧机制可防止裂纹萌生后的不稳定扩展。 内在塑性有助于裂纹的初始韧性，外部机制有助于裂纹扩展韧性。 这些是坚固且坚韧材料的重要特性。

近场动力学（PD）理论是国际上新兴的基于非局域作用思想的力学理论体系。 该理论通过求解空间积分方程来描述物质的力学行为，避免了基于连续性假设的建模和求解的需要。 传统的空间微分方程宏观方法面临着不连续性问题的奇异性[1]，因此特别适合模拟材料的损伤和断裂过程。 不过，由于PD模型的数学理论比较深入，而且新概念大多用英语表达，所以很多朋友在学习时会遇到一些困难。 受到朋友的启发，我想到了在微信上建立这个公众号，希望能把研究PD理论的朋友聚集在一起，分享自己的PD研究经验，共同解决自己的问题，共同推动PD理论的发展！

[1] 黄丹，张青，乔丕忠，沉峰，近场动力学方法及其应用。 力学进展，2010。40（4）：p。 448-459。

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