材料强度和韧性的矛盾
材料强度和韧性的矛盾
对大多数结构材料来说，强度和韧性是至关重要的。不幸的是，这两个属性通常是相互排斥的。尽管对更强更硬的材料探索仍在继续，但这些材料在没有适当的韧性的情况下，几乎没有什么实际用处。而低强度的材料，具有更高的韧性，这些材料可以用于大多数关键性安全的应用中。但在这些应用中过早断裂或者灾难性的断裂损伤都是不可接受的。由于这些原因，传统上材料强度和韧性（耐伤害）的发展是在硬度与延展性之间进行妥协。
作者从金属玻璃、自然和生物材料、结构和仿生陶瓷等方面的例子中，研究了一些应对这一冲突的新策略。具体地说，关注对强度和韧性的贡献机制之间的相互作用，并指出这些现象可能来自于不同长度尺寸下的材料结构体系结构。
作者展示了新的和自然的材料如何战胜冲突的强度和韧性,在各类材料中实现前所未有的忍耐破坏力。
图1a：工程材料的强度-韧性的关系。
斜线代表塑性区域的大小。Kc是断裂韧性， σy是屈服强度。白色五角星和紫色圆圈表示Pd-玻璃和金属玻璃复合材料，黑色十字是单晶玻璃。通过成分的改变，可以提高更多的（白色箭头）。
图1b：工程材料的强度-韧性的关系。
示意图说明了强度和断裂行为是如何从内在（可塑性）和外在（屏蔽）增强机制的角度来考虑的与裂纹扩展有关。插图显示了内在伤害机制之间的相互竞争，在裂纹尖端之前采取行动促进裂纹扩展和非固有的裂纹屏蔽机制，主要作用于尖端，以阻止裂纹的发展。内在的增韧结果本质上是来自于可塑性，并增强了材料固有的抗损性;因此，它增加了裂纹的开始和裂纹的增长韧性。外在的增韧作用降低了裂纹尖端的局部应力和应变场;因为它依赖于裂缝的存在，它只影响到裂纹扩展,特别是通过上升的R曲线。
图2：BMG合金的强度和韧性策略。
在BMGs中获得高韧性和强度包括防止单剪带形成，它能使材料在接近零的应力中引起失效。a)有一种办法是通过增加第二个相来阻止剪切带，这里有树枝晶Zr–Ti–Nb–Cu–Be玻璃基体，树突状间距小于失效的裂缝大小。b)与单片基体合金（Vitreloy 1）对比，在合金DH1和DH3中可以提高3到4倍韧性至~150MPa m^1/2（不锈钢用于对比） 。
图2：BMG合金的强度和韧性策略。
C)另一种方法是实现高的体积-剪切-模量比，这使得剪切带的形成更容易导致断裂的空化现象更加困难。这个方法的结果是，在单片Pd–Ag–P–Si–Ge玻璃上，是一个多剪切带结构，没有不稳定的失效，超常的强度（1.5GPa），大裂纹张开位移（白色箭头）,并具备200MPa M^1/2的韧性。D)Kj是J积分测量的韧性。E是杨氏模量。
图3：单片陶瓷的外在增韧。
整体陶瓷的断裂韧度很大程度上取决于它们的断裂模式。硅碳化硅，用铝、硅和硼做掺杂剂处理(称为 ABC-SiC)，开发纳米级在晶界上的玻璃薄膜（所以称为湿边界)。a)ABC-SiC相应地显示出显著的r-曲线增韧。b)这是因为它在脆性的过程中破坏了晶界薄膜，通过颗粒桥接（即，相互联锁边界的摩擦干扰颗粒，当材料失效时，其作用是阻止裂缝打开，如图1所示）。相反地，市场上的SiC，有所谓的“干边界”，没有玻璃薄膜;它在没有外在的增韧的情况下发生了变形，因此没有上升的r曲线。两种材料的裂纹产生时韧性基本上是相同的，而裂纹生长的韧性在颗粒桥接材料中要高三倍。水平箭头表示裂纹扩展的一般方向。
图4：骨骼结构显示七级尺度和盛行的增韧机制。a)尺度的七个等级。b)流行的增韧机制。在最小的层面上，即胶原蛋白分子和矿化胶原纤维的规模上，（内在的）韧化，也就是可塑性，是通过分子解缠和分子间滑动的机制来实现的。在下一个水平,即纤维阵列的规模上、微裂纹和纤维滑动作用是一种可塑性机制，并有助于其固有韧性。在微米维度，在纤维阵列的界面上破坏牺牲键会导致能量损耗的增加，同时还会产生胶原纤维的裂缝。在最大的尺度规模上，即数十到数百微米的范围内，增韧的主要来源是外在的。来自于无裂韧带的大裂缝和裂缝桥接，这两种机制都是由微裂纹产生的。
图5：软体动物壳（珍珠母）和相应的仿生陶瓷的增韧。a)珍珠母的自然结构是0.5米厚的霰石矿物“砖”，由生物聚合的“灰浆”隔开的。b)仿生合成的氧化铝——PMMA实体结构由冷冻浇注成型为珍珠母的形貌。尽管天然和合成材料都是易碎的陶瓷(CaCO3和Al2O3)，他们表现出截然c)不同的韧性和拉伸延展性。还有d)显著不同的R-曲线行为。增韧与“砖头”的拉出（插图b）和摩擦滑动有关，沿着矿物界面在润滑油聚合层内移动（图b的红色剪头）。这种类似于珍珠母的氧化铝——PMMA陶瓷显示出超常的韧性，超过了30MPa m^1/2。它的坚硬程度是层状结构的两倍，比相应的纳米复合氧化铝——PMMA材料要坚硬得多。而且，许多自然材料的特点是，比它的组成相要强一个数量级或更多。韧性使用J积分进行计算。