材料构型力学理论和实验研究

在申请人和合作者已有的研究基础上，从理论和实验两个方面探讨材料构型力理论在微纳米尺度和微米-毫米跨尺度关联中所起到的重要作用。理论研究重点在几个主要的构型力：M,L积分等在含纳米尺度多缺陷和含大量微米缺陷的韧性材料损伤演化中扮演的角色；同时探索复杂的功能材料和纳米复合材料中含纳米空洞、夹杂、压痕等缺陷的构型力描述的尺度效应等问题。实验研究集中在交变载荷下含大量微米缺陷的韧性材料损伤演化的构型力数学表达和物理准则，即建立损伤演化驱动力和疲劳损伤演化驱动力新概念，确立材料损伤从微米尺度向毫米尺度演化的构型力描述新理论框架。从理论和实验两方面证明微缺陷损伤演化问题中构型力,以证明固体力学中构型力学和损伤力学之间的内在联系。研制一种可携带的在线测量损伤构型力的方法，申请发明专利。本项目具有一定的原创性，是申请人和合作者已有研究成果的继续，最终目标是应用到工程实际结构部件的损伤评估。

固体材料构型改变包括损伤缺陷形态演变、迁移、相变、界面扩散、塑性变形、蠕变及位错运动等。凡引起材料构型改变的驱动力均称之谓构型力。本项目的研究重要目之一是探索如何应用构型力理论来描上述材料构型变化。此外，材料构型力学可用于工程材料和结构多缺陷损伤的表征和评估，本项目基于材料构型力学系统研究了材料与结构的多缺陷问题，为预测含缺陷群问题以及强非均质材料的破坏问题提供一种新的理论依据。.主要贡献为：.1.完善了材料构型力学理论，建立微裂纹损伤的M积分描述方法，构建固体力学守恒定理和微裂纹损伤这两个相互独立的研究领域之间的内在联系；基于材料构型力和守恒积分提出一种描述材料复杂缺陷损伤和失效的新准则，该准则可用于非均匀介质各种形式的材料损伤与结构完整性评估；.2.首次给出构型力及守恒积分在压电材料多裂纹问题和微裂纹屏蔽问题中的应用，发现了Jk向量两个投影守恒定理在机电偶合情况下仍成立；构型力及守恒积分在压电材料多裂纹问题和微裂纹屏蔽问题中的应用，为压电材料断裂和压电材料界面裂纹提供一种新的研究思路，可以为智能结构材料的寿命预测提供理论支撑；.3.首次将构型力概念应用于纳米损伤力学，认清表面能、表面残余应力和表面的Lame 常数变化对纳米孔洞扩展、聚合的影响；基于材料微结构变化构架上的构型力理论，可成功描述纳米级别的损伤演化、尺度效应。.4.认清材料中损伤缺陷的构型与尺寸演变过程的主要原因在于缺陷附近物质(包括原子、二相粒子、微空洞、位错等)迁移重构。提出工程结构材料中缺陷附近物质迁移的主要驱动力是应力梯度。材料的损伤与愈合过程的实验观察表明，损伤缺陷附近的二相粒子的迁移扮演重要角色。.本项目研究在2010.1-2013.12年期间，在Int.J.Solids Struct.、Acta Mater.、J. Mech. Phys. Solids.、ASME J. Appl. Mech.等本领域权威刊物发表SCI论文57篇。