中科院对金属玻璃断裂规律进行10年探索

找到实验规律之后，如何从理论上对其解释是科学研究的重要一环。为此，张哲峰首先考虑了传统的经典断裂准则：莫尔-库仑准则。张哲峰用其来解释金属玻璃的断裂规律时发现，虽然该准则可以定性解释其宏观断裂规律，但在定量上却与实验结果偏离很大。

在经典理论无法解释的时候，往往是理论创新开始的时候。对金属玻璃断裂规律的探索工作，带给张哲峰很大的启发。结合他以前做过的金属晶体中的滑移问题、陶瓷的脆性断裂问题以及金属玻璃的剪切断裂问题，张哲峰思考：针对不同类型材料人们提出了完全不同的断裂准则，是否能够找到一个共性的理论或模型将这些解释不同材料的断裂准则统一起来？

提出新的断裂理论

2005年，张哲峰对材料断裂规律的研究迎来重要的转机。他同时考虑剪切面上正应力和切应力对材料断裂的影响，并结合不同材料的性质，提出了新的统一拉伸断裂准则——椭圆准则。

该准则不仅可以定量地描述各种金属玻璃材料拉伸断裂行为以及剪切与拉伸正断的转变，还从一个新的角度揭示了不同类型金属材料的强度差别与剪切变形机制。

“自此之后，摆在我们面前的问题是，如何定量地证明这一准则对断裂行为预测的正确性。”张哲峰表示。由于椭圆准则描述的是断裂面上的正应力对断裂强度的影响，因此需要设计实验以获得一系列不同的断裂应力状态，使得断裂面上的正应力在一个较宽的范围内变化。

为此，张哲峰与屈瑞涛创新性地设计了一系列与加载轴呈不同方向的倾斜缺口拉伸试样。通过实验，他们发现椭圆准则比传统的莫尔-库伦准则更加精确有效地预测了金属玻璃在拉伸型应力状态下的断裂行为。

在实际的工程应用中，除了拉伸型应力状态，还存在其他的应力状态，如压缩。前面提到金属玻璃在拉伸与压缩下的断裂角度不同，其实断裂强度也不尽相同。张哲峰团队发现许多金属玻璃的拉伸强度往往小于压缩强度，而一般传统的金属晶体材料的拉伸与压缩强度相等。

既然椭圆准则很好地解释了金属玻璃在拉伸型应力状态下的断裂行为，那么如何统一地预测各种应力状态下的断裂行为呢？

最近，通过对大量断裂数据的分析与断裂机制的思考，张哲峰与屈瑞涛进一步发展了椭圆准则，提出了一种能描述复杂应力条件下断裂行为的普适性断裂准则。在该准则基础上的进一步研究，能为深入理解与研究高强度材料的断裂规律和在复杂应力条件下安全设计与可靠性提供了新的理论判据。

张哲峰表示，未来科技的发展对高强度先进结构材料会有极大的应用需求，我们从断裂机制出发并结合力学分析提出的新理论，将为高强度材料在应用时的安全可靠性设计提供指导。

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