通常，强度与塑韧性存在倒置现象，即强度高的材料韧性差，韧性好的材料强度低；这种倒置关系已经成为材料发展的一个瓶颈问题。强韧性匹配是大多数结构材料的重要要求，不幸的是，这些性质通常是互斥的，尽管对更坚固、更硬材料的追求仍在继续，但如果没有适当的抗断裂性能，这些材料几乎没有用处。在大多数安全关键应用中，灾难性断裂是不可接受的，对此来自加州大学劳伦斯伯克利国家实验室的Robert O. Ritchie教授发表综述，以金属玻璃、天然和生物材料、结构和仿生陶瓷为例，介绍了处理这一冲突的一些新策略。

几乎所有工程结构材料的一个要求是它们既坚固又坚韧，但在大多数材料中，强度和韧性的特性总是相互排斥的，韧性是材料对断裂的抵抗力，因此韧性可以被测量为导致断裂所需的能量，可以使用断裂力学方法来测量，例如，引发或扩展预先存在的裂纹所需的应力强度因子K、应变能释放率G或非线性弹性J积分。如图1，材料经受有限变形的能力是赋予韧性的一个关键方面，这一特征能够局部耗散高应力，否则会导致材料断裂，如位错塑性、贝壳中矿物片层之间的摩擦运动及金属玻璃中的剪切带传播，因此，韧性的性质是一种妥协。为了提供这方面的背景，将断裂过程视为另一个冲突是有用的，从断裂力学的角度来看，这是在所谓的内在损伤过程和外在裂纹尖端屏蔽机制之间的相互竞争，内在损伤过程在裂纹尖端之前起作用以促进其传播，外在裂纹尖端保护机制主要在裂纹尖端之后起作用以抑制这种情况。损伤机制取决于纳米/微观结构的性质，并涉及诸如裂纹尖端之前的工艺区内第二相的开裂或脱粘之类的过程。内在增韧与使这些过程更加困难有关，并且主要与塑性有关，它对裂纹的萌生和扩展都是有效的。在外部增韧的情况下，材料的固有断裂阻力不变，裂纹桥接等机制以减少（屏蔽）裂纹尖端实际经历的局部应力和应变起到增韧效果，外在机制（与内在机制不同）只对阻止裂纹扩展有效，因为它们必须有裂纹才能工作，所以对裂纹萌生没有影响。

在某些情况下，强度和韧性的冲突是可以克服的，一个看似出乎意料的例子是某些新型大块金属玻璃材料（BMG），在没有位错的情况下，它们通过剪切带的萌生和传播而变形，但这可能是极端脆性的来源，因此，在剪切带空化并形成裂纹之前局部阻止剪切带是使这些坚固材料变得坚韧的关键问题，可以通过制造BMG基体复合材料来实现，其中晶体第二相——枝晶——被隐含地添加到阻止剪切带中（图2a，b），含有42–67 vol.%枝晶的Zr–Ti–Nb–Cu–Be玻璃在1.1–1.5 GPa的拉伸屈服强度下显示出100–160 MPa m^1/2的断裂韧性，这是迄今为止结构材料中强度和韧性的最佳组合之一。另一种方法是设计合金成分以实现高体积模量和低剪切模量，前者导致在这些带内空化的困难。如上所述，外在增韧是脆性材料增韧的主要来源，在许多情况下也是唯一来源，例如，在碳化硅、氮化硅和氧化铝等单片陶瓷中，这些材料可以通过促进裂纹偏转和晶粒桥接而容易地进行外部增韧，如图3，当SiC发生穿晶断裂时，其断裂韧性约为2–3 MPa m^1/2，而晶间断裂的断裂韧性可接近10 MPa m^1/2，沿晶界存在脆性纳米级玻璃膜，促进了边界裂纹、晶粒桥接，从而提高了韧性。

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一些材料同时依靠内在和外在的增韧，天然材料就是一个很好的例子。如图4，人类骨头同时具有内在和外在增韧机制，内在增韧，即塑性，源于数十至数百纳米尺度的原纤维滑动机制，其长度尺度与矿化的胶原原纤维有关。然而，骨骼韧性的主要来源是外在的，当生长中的裂纹遇到骨结构的矿化界面时，由裂纹桥接和裂纹偏转引起。最近，合成的、但受生物启发的大块陶瓷材料已经制成珍珠层结构，使用氧化铝陶瓷粉末与水混合并使用冷冻铸造。层间粗糙度部分由添加掺杂剂（糖、盐或醇）控制。在冷压和用聚合物润滑剂相（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）渗透后，“砖和砂浆”85% vol氧化铝陶瓷-PMMA混合材料以珍珠层的结构制成，这些仿生陶瓷的机械性能非常显著，其强度与纯氧化铝相当，但断裂韧性要大一个数量级（如图5）。这些例子表明，尽管强度和韧性这两种通常相互排斥的特性之间的冲突是广泛存在的，但有一些方法可以通过在不同长度尺度上作用的多种塑性和增韧机制在单一材料中实现强度和韧性的提高。

图1强度与韧性的冲突，a工程材料强度-韧性关系的Ashby图，b示意图显示了如何根据与裂纹扩展相关的内在（塑性）增韧机制与外在（屏蔽）增韧机制来考虑强度和断裂行为。

图2 BMG合金的强度和韧性策略。a、 b一种方法是添加第二相来阻止剪切带，这里是Zr–Ti–Nb–Cu–Be玻璃基体中的结晶枝晶，其中枝晶间间距小于失效时的裂纹尺寸，c、 d另一种方法涉及实现高体积剪切模量比，这使得剪切带的形成更容易，但导致带内断裂的空化作用更困难。结果是，对于单片Pd–Ag–P–Si–Ge玻璃，形成了多个剪切带。

图3 单片陶瓷的外部增韧。a、ABC-SiC相应地表现出显著的R曲线增韧上升。b、 这是因为它沿着脆性晶界膜发生了整体失效，通过晶粒桥接导致了非本征增韧，c、 相反，商用SiC Hexoloy具有所谓的干边界，没有玻璃膜；它在没有外在增韧的情况下发生了穿晶失效，因此没有上升的R曲线。

图4 骨骼结构显示出七个层次，具有主要的增韧机制。a七个层次结构，b 主要的增韧机制，在最小的水平上，在原胶原分子和矿化胶原原纤维的规模上，（内在）增韧，即塑性，是通过分子解开和分子间滑动的机制实现的。在较粗的水平上，在原纤维阵列的尺度上，微裂纹和原纤维滑动起到塑性机制的作用，并有助于提高固有韧性。在微米尺度上，原纤维阵列界面处牺牲键的断裂有助于增加能量耗散，以及胶原原纤维的裂纹桥接。在几十到几百微米的最大长度范围内，增韧的主要来源是外在的，是由未开裂韧带引起的广泛的裂纹偏转和裂纹桥接引起的。

图5 软体动物外壳（珍珠层）和相应的仿生陶瓷的增韧。a Nacre具有约0.5μm厚的霰石矿物“砖”的自然结构，由生物聚合物“砂浆”分隔。b 灵感来自生物的合成氧化铝–PMMA“砖和砂浆”结构，c、 d，尽管天然和合成材料都包括脆性陶瓷（CaCO3和Al2O3），但它们表现出显著的韧性和拉伸延展性。

    相关成果以“The conflicts between strength and toughness”为题发表在Nature Materials（volume 10,817–822 (2011)）上，论文第一作者和通讯作者为Robert O. Ritchie

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文章来源： 多尺度力学