材料的断裂机制是一个复杂的问题, 涉及多方面因素，其中最关键的是材料的纳米/ 微观结构。在裂纹尖端前方, 存在一个过程区, 其中第二相可能会发生开裂或解粘等（ cracking or debonding） 过程，内部增韧机制使裂纹扩展变得更加困难, 这对裂纹的起始和传播都有重要影响。相比之下, 外部增韧机制主要作用于裂纹尾部, 通过诸如桥接等方式来减小实际作用于裂纹尖端的局部应力和应变, 从而阻碍裂纹的扩展。
外部机制可以非常多样化, 例如复合材料中纤维或韧性相的桥接, 单相陶瓷中晶粒间断裂时的摩擦咬合, 以及骨骼中跨越微裂纹的胶原纤维。外部增韧机制只能作用于已经存在的裂纹, 无法影响裂纹的起始。此外, 它们的效果还与裂纹的长度( 或尺寸) 有关。这就导致了所谓的抵抗裂纹扩展的韧性行为, 需要增加裂纹驱动力才能维持裂纹的亚临界扩展。
内部增韧是韧性材料抗断裂的主要来源。大多数金属材料都是通过这种方式增韧的, 因此材料越强, 用于( 内部) 增韧的塑性就越少。从钢制压力容器和管道到铝合金飞机机身等大多数关键结构应用, 都采用这些合金的相对较低强度版本, 以避免过早失效的问题。
不过, 也有克服强度和韧性矛盾的情况。一个看似意外的例子就是某些新型金属玻璃材料(metallic glass materials ,BMG) 。作为100% 无定型材料,BMG 通常强度很高, 拉伸强度可轻易达到1-2GPa 。由于缺乏位错, 它们是通过剪切带的起始和传播来变形的, 但这可能导致极度脆性; 在拉伸下, 单个剪切带可以贯穿整个样品, 导致极小应变下的失效。
因此, 在剪切带空化并演化为裂纹之前就将其局部阻止，是使这些强材料变得韧性的关键, 因为这可以促进多个剪切带的形成, 从而释放局部高应力。这可以通过制备BMG 基复合材料实现, 在其中添加晶体第二相- 树枝晶- 来阻止剪切带( 图2); 但树枝晶的间距必须足够小, 以在剪切带/ 裂纹导致灾难性失效之前就将其阻止, 也就是说, 树枝晶间距的特征微观尺度必须与失效临界裂纹尺度的特征力学尺度相匹配。
图 2 金属玻璃合金的强度和韧性策略
在 BMGs 中实现高韧性和强度需要防止单一剪切带的形成 ,这种剪切带贯穿材料 ,导致接近于零应变时的失效。 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 玻璃基体中的晶质树枝状结构 ,其枝间距小于失效的裂纹尺度(a);与单相基体合金相比 ,韧性提高三到四倍 ,达到约 150 MPam1/2。 c,d,另一种方法是实现高体积模量与剪切模量比 ;这使得剪切带形成更容易 ,相比单相 Pd– Ag– P– Si– Ge 玻璃 ,强度极高 (约 1.5 GPa)、裂纹张开位移大 (白色箭头 )(c)和韧性达到约 200 MPa m1/2(d)。 KJ 是用 J 积分测量的韧性 ;E 是杨氏模量。
超材料的出现似乎可以平衡强度和韧性。
我们来看下3篇之前先进的力学超材料的论文，试图理解前人是如何尝试去实现“鱼和熊掌”的平衡
。
文一：
同时具有高强度和可重复使用能量吸收的液态金属晶格材料
发展可重复使用的能量吸收晶格材料对可持续，经济，和环境考虑都至关重要。不幸的是， 现存的可重复使用晶格材料通常不同时具有高强度和高能量吸收性能。为了克服这个挑战，在这项工作中，我们发展了4类液态金属晶格材料并探索它们的力学和可恢复行为。研究表明，与仅有有机硅涂层相比， 新型的混合涂层更坚固，耐用。开尔文梁晶格和原始壳晶格是可重复使用的液态金属晶格材料的最佳选择。通过和文献中不同的可重复使用晶格材料对比，研究发现，由于固有的金属特性，液态金属晶格材料有着更高的强度和能量吸收能力。
图：不同的晶格材料的能量耗散机制和可重复使用方法
图：Ashby图对比（a)，密度和能量耗散; (b)，压缩强度和能量耗散
文二：
http://dx.doi.org/10.1016/j.eml.2015.08.001
相变蜂窝材料
图：(a)相变细胞材料的设计; (b) 对称晶胞一半的几何形状; (c) 该材料在位移控制下的机械行为示意图; (d) 在其力学响应的显著点上，机制构型的示意图
图：Kagome 和六边形蜂窝相变多孔材料的能量耗散比较：(a) 金属基材料；(b)凝胶基材料
文三：
超高能量吸收多功能旋节线纳米结构
纳米晶格被推广为下一代多功能高性能材料， 但其力学响应仅限于高强度易脆，或极高的变形能力但强度和刚度较低。 理想的冲击保护系统需要在大变形范围内保持高应力平台，以最大限度地吸收能量。在这里，提出了玻璃碳纳米旋节线，即具有旋节线壳拓扑的纳米结构，结合了超高的能量吸收和低重量的优异强度和刚度。这种结构显示了高达 80% 应变的非灾难性变形，以及比其他纳米、微米、宏观结构和固体，最先进的冲击保护结构，高出一个数量级的能量吸收。同时，其强度和刚度与最先进但易碎的纳米晶格相当，展现出真正的多功能性。有限元模拟表明， 优化的壳体厚度与曲率半径之比可通过阻止危险定向裂纹的扩展来抑制灾难性故障。与大多数微米和纳米结构材料相比，旋节线结构可以很容易地在工业规模上制造，并且可能成为用于结构应用的下一代优质多孔材料。
图：不同相对密度的玻碳纳米旋节线
图：a)抗压强度与相对密度和 b) 抗压刚度与相对密度比较本研究的玻碳纳米旋节线与玻碳束纳米晶格返回搜狐，查看更多