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一、固体的微尺度塑性及微尺度断裂 (魏悦广、王自强、陈少华) 此项研究获得2008年国家自然科学奖二等奖项目属固体力学领域。主要成果为：在国际上严格建立了可压缩塑性应变梯度理论和不含高阶应力的应变梯度理论，独创地建立了适合应变梯度理论的有限元方法，提出了预测固体理论强度的严格算法等。对表征固体在微尺度层次的强度、韧性及断裂等力学行为建立了基础，对应变梯度理论的发展和广泛应用起了核心推动作用。 项目发表的87篇论文被他人SCI引用810次，其中包括10位欧美国家的科学院及工程院院士和5位中国科学院院士的重点引用。 二、揭示介质环境显著弱化结构钢的高周和超高周疲劳强度，阐明疲劳裂纹表面和内部萌生的竞争机制 （洪友士） 图1给出了实验研究获得的40Cr结构钢 (抗拉强度1582MPa) 在空气环境、水介质环境和3.5％NaCl水溶液环境中的疲劳特性；对应的疲劳周次范围为6(104 到 3(108，即跨越了高周阶段进入超高周疲劳阶段。 对于空气环境的情形（图1中三角形符号），S-N曲线呈阶梯状。 对于水介质环境的情形（图1中正方形符号），S-N曲线亦呈阶梯状。但S-N曲线平台区对应的疲劳强度是260MPa，仅为空气环境对应结果 (720MPa) 的36%。在疲劳周次为105时，水介质环境对应的疲劳强度为600MPa，此数值为空气环境对应值的70%；而在疲劳周次为5(105时，水介质环境对应的疲劳强度（350MPa）仅为空气环境对应值的50%；在超高周疲劳阶段，两种介质对应的疲劳强度值的差别更大。这表明水介质显著弱化材料的疲劳强度。 对于3.5% NaCl水溶液环境的情形（图1中圆形符号），S-N曲线呈现逐渐降低的形态。从低周到超高周的整个疲劳周次范围所对应的疲劳强度比水介质环境的情形还低。这表明3.5% NaCl水溶液对高强度结构钢疲劳性能的弱化比水介质的作用更为显著。 图1 实验获得的三种介质环境下的S-N曲线，空心符号表示裂纹表面起源，实心符号表示裂纹内部起源，半实心符号表示裂纹表面和内部起源共存。 特别关注的是，在107疲劳周次，水介质环境对应的疲劳强度仅为空气环境对应值的34%，而3.5% NaCl水溶液环境对应的疲劳强度仅为空气环境对应值的21%；在108疲劳周次，水介质环境对应的疲劳强度仅为空气环境对应值的10%，而3.5% NaCl水溶液环境对应的疲劳强度仅为空气环境对应值的5.8%！即： , (1) , (2) 式中 是水介质环境的疲劳强度， 是3.5% NaCl 水溶液环境的疲劳强度， 是空气环境的疲劳强度。 实验还揭示水介质和3.5％NaCl水溶液环境导致疲劳裂纹多源起裂和沿晶扩展。证实液态介质导致材料疲劳抗力显著下降的机制是氢致开裂。 在超高周阶段，疲劳裂纹起源从试样表面转移到内部。为了说明疲劳裂纹源位于表面或位于内部的转移和竞争，我们引入了一个新的参数, 即： (3) 式中，是裂纹在内部萌生所需的周次，是裂纹在表面萌生所需的周次。当, 即, 裂纹在试样表面萌生；反之，当, 即, 则裂纹在试样内部萌生。是两个广义时间参量之比，即为Deborah数。 注意到疲劳裂纹萌生于夹杂物的不同情况，一种是夹杂物与基体弱结合 (情况A)，一旦在载荷作用下界面即脱开并形成趋于沿夹杂轴线方向的裂纹并向基体生长。另一种是夹杂物与基体强结合 (情况B)，由夹杂与界面处的变形不均匀引发趋于与夹杂相切的裂纹并向基体生长。对于两种情况，分别推导和计算了随和的变化趋势，图2是所得到的结果。其中， ，反映载荷与位错阻力之比；，d为夹杂半径，l为晶粒半径。 图2表明，对于确定的载荷（即不变），在时 [即夹杂尺度(d)很小或晶粒(l)很大]，，此情形裂纹将在表面萌生。随着增大，即夹杂尺度(d)增大或晶粒(l)减小，逐渐减小并进入到的范围，疲劳裂纹将从表面起源转移到内部萌生。另一方面，当给定，随减小 [即载荷()减小或位错阻力(k)增加] 而减小，即疲劳裂纹趋于在内部萌生。总体表明，在相对小的载荷下，随夹杂物尺度增大、晶粒尺度减小、位错阻力增大 (材料强度增加)，均增加疲劳裂纹内部萌生的倾向。这解释了实验研究的结果。 图2 随和变化的计算结果，(a)情况A， (b) 情况B 三、生物陶瓷的负Poisson比效应 （宋凡） 针对天然层状生物陶瓷材料——贝壳珍珠母能够产生大变形的力学机制进行了研究，发现：1）在珍珠母的拉伸变形过程中，其最大应变超过0.01，并且在不同的拉伸阶段呈现出不同的Poisson比。特别是，在珍珠母拉伸变形后期，出现负