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在工程領(lǐng)域，理想的結(jié)構(gòu)材料需兼具高強(qiáng)度與優(yōu)異韌性，然而這兩者往往難以兼得。這一矛盾并不廣為人知，因?yàn)樵谌粘ＵZ境中，人們常將強(qiáng)度和韌性混為一談。實(shí)際上，強(qiáng)度指的是材料抵御不可逆變形（如塑性變形）的能力，而韌性則關(guān)乎材料抵抗斷裂的能力，通常以斷裂能量來衡量。韌性還可以通過斷裂力學(xué)方法來評(píng)估，比如計(jì)算引發(fā)或擴(kuò)展已有裂紋所需的臨界裂紋驅(qū)動(dòng)力，如應(yīng)力強(qiáng)度因子K、應(yīng)變能釋放率G或非線性彈性J積分等參數(shù)。關(guān)鍵在于材料能否承受有限的塑性變形——正是這種特性賦予了材料韌性。因?yàn)檫@種能力有助于耗散局部高應(yīng)力，避免材料發(fā)生斷裂。這也是為何硬質(zhì)材料往往更脆，而那些更易發(fā)生塑性變形的低強(qiáng)度材料通常更具韌性（見圖1a）。

圖1 強(qiáng)度與韌性的矛盾The conflicts between strength and toughness

a顯示了工程材料的強(qiáng)度-韌性關(guān)系。

材料的變形機(jī)制豐富多樣，不僅限于晶體材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的塑性形變。實(shí)際上，非彈性變形可以通過多種途徑發(fā)生，例如金屬和陶瓷中的相變、牙齒牙本質(zhì)和骨骼中礦化膠原纖維的滑動(dòng)、貝殼中礦物片層的摩擦運(yùn)動(dòng)，甚至包括導(dǎo)致斷裂的機(jī)制，如地質(zhì)材料和骨骼中的微裂紋以及金屬玻璃中的剪切帶傳播。這里的關(guān)鍵詞是“有限”，因?yàn)檫^度變形會(huì)削弱材料的韌性。韌性是一種折衷，它通常被視為強(qiáng)度和可變形性（延展性）這兩種機(jī)械性能的結(jié)合，而這兩者往往相互排斥。隨著對更強(qiáng)材料的追求，人們可能會(huì)懷疑這些材料是否還能保持韌性。然而，韌性并非如此簡單；即使缺乏延展性，也能實(shí)現(xiàn)韌性。脆性材料如陶瓷就是一個(gè)例子，它們通常無法通過促進(jìn)塑性來增強(qiáng)韌性。要理解這一點(diǎn)，我們需要將斷裂過程視為一種矛盾現(xiàn)象：從斷裂力學(xué)的角度來看，這是內(nèi)部（促進(jìn)裂紋擴(kuò)展）與外部（阻礙裂紋擴(kuò)展）增韌機(jī)制之間的競爭。

材料斷裂的奧秘是多維度的，而納米/微觀結(jié)構(gòu)扮演著核心角色。在裂紋尖端，一個(gè)微妙的過程區(qū)悄然形成，這里第二相可能會(huì)經(jīng)歷開裂或解粘等關(guān)鍵過程。內(nèi)部增韌機(jī)制在此發(fā)揮著重要作用，它增加了裂紋擴(kuò)展的難度，深刻影響著裂紋的起始和傳播。與此同時(shí)，外部增韌機(jī)制則聚焦于裂紋尾部，通過橋接等手段降低作用于裂紋尖端的局部應(yīng)力和應(yīng)變，有效阻礙裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。這些外部機(jī)制多樣而復(fù)雜，無論是復(fù)合材料中的纖維橋接、單相陶瓷中的晶粒間斷裂摩擦咬合，還是骨骼中膠原纖維跨越微裂紋的現(xiàn)象，它們都只能對已有裂紋產(chǎn)生影響。外部增韌的效果與裂紋的長度密切相關(guān)，這導(dǎo)致了一種被稱為韌性行為的現(xiàn)象——即為了維持裂紋的亞臨界擴(kuò)展，需要增加裂紋驅(qū)動(dòng)力。內(nèi)部增韌是韌性材料抗斷裂的關(guān)鍵因素。大多數(shù)金屬材料通過這種方式實(shí)現(xiàn)增韌，因此材料強(qiáng)度越高，可用于內(nèi)部增韌的塑性就越少。從鋼制壓力容器到鋁合金飛機(jī)機(jī)身等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)用中廣泛采用這些合金的較低強(qiáng)度版本，以預(yù)防過早失效的風(fēng)險(xiǎn)。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，新型金屬玻璃材料（BMG）以其卓越的強(qiáng)度和獨(dú)特的性能脫穎而出。這些100%非晶態(tài)材料展現(xiàn)出驚人的抗拉強(qiáng)度，輕松達(dá)到1-2GPa。然而，由于缺乏位錯(cuò)，BMG主要通過剪切帶的啟動(dòng)和擴(kuò)展來塑性變形，這可能導(dǎo)致材料變得異常脆弱。在拉伸過程中，單一剪切帶可能穿透整個(gè)樣品，引發(fā)微小應(yīng)變下的斷裂。為了賦予這些高強(qiáng)度材料韌性，關(guān)鍵在于在剪切帶空洞化并轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y之前局部阻斷它們。這樣做可以促進(jìn)多個(gè)剪切帶的形成，釋放局部高應(yīng)力。一種有效的方法是制備BMG基復(fù)合材料，在其中摻入晶體第二相——樹枝晶——以阻斷剪切帶（如圖2所示）。但樹枝晶的間距必須足夠小，在剪切帶/裂紋引發(fā)災(zāi)難性失效前就將其阻斷。換句話說，樹枝晶間距的特征微觀尺度必須與失效臨界裂紋尺度的特征力學(xué)尺度相匹配。

圖2 金屬玻璃合金的強(qiáng)度和韌性策略

在材料科學(xué)的前沿，Zr-Ti-Nb-Cu-Be玻璃以其42-67體積%的樹枝晶含量，展現(xiàn)出了卓越的斷裂韌性（100-160 MPa m1/2）和拉伸屈服強(qiáng)度（1.1-1.5 GPa），成為結(jié)構(gòu)材料中罕見的強(qiáng)度與韌性兼?zhèn)涞馁?。更令人矚目的是，一種單相無定型Pd-Ag-P-Si-Ge玻璃合金，以其驚人的強(qiáng)度和韌性性能脫穎而出。這種合金通過精心選擇成分，實(shí)現(xiàn)了高體模量與低切模量的完美結(jié)合。在負(fù)載下，它們能夠產(chǎn)生大量剪切帶，模擬出大尺度塑性變形（如圖2c所示），而這些剪切帶卻不會(huì)進(jìn)一步發(fā)展成裂紋。這些合金的斷裂韌性高達(dá)200 MPa m1/2，拉伸強(qiáng)度超過1.5 GPa，堪稱史上最耐損傷的材料。盡管成本高昂且目前只能制成直徑約6 mm的小截面產(chǎn)品。對于脆性材料而言，外部增韌是其增韌的主要手段，在許多情況下甚至是唯一的途徑。在單相陶瓷材料如碳化硅、氮化硅和氧化鋁中，內(nèi)部增韌需要改變鍵合強(qiáng)度，這在實(shí)際操作中是不可行的。然而，通過促進(jìn)裂紋偏轉(zhuǎn)和晶粒橋接等機(jī)制，這些材料可以輕松實(shí)現(xiàn)外源性增韌（如圖3所示）。晶界斷裂通常是這些機(jī)制發(fā)揮作用的關(guān)鍵條件。以碳化硅為例，在穿晶斷裂時(shí)其斷裂韌性約為2-3 MPa m1/2；而在沿晶斷裂時(shí)，則可達(dá)到10 MPa m1/2。關(guān)鍵在于沿晶界存在脆性納米級(jí)玻璃薄膜這一微觀結(jié)構(gòu)特征，它促進(jìn)了晶界開裂和晶粒橋接的過程，從而顯著提高了材料的韌性。

圖3單晶陶瓷的外部增韌

自然界的奇跡在材料科學(xué)中也能找到其影子。以貝殼為例，它們展示了自然界在制造既堅(jiān)硬又韌性十足的材料方面超越人類的能力。生物和自然材料之所以如此出色，很大程度上歸功于它們的分層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)從分子層面一直延伸到接近宏觀尺度，賦予了它們獨(dú)特的特性。內(nèi)部增韌機(jī)制，即塑性變形，通常發(fā)生在亞微米尺度，類似于金屬中的納米位錯(cuò)。而外部增韌和斷裂過程則在更宏觀的微米尺度上發(fā)生。以人體皮質(zhì)骨為例，內(nèi)部增韌——塑性變形——源自納米至幾百納米尺度的纖維滑移機(jī)制，這與礦化膠原纖維密切相關(guān)。然而，隨著年齡的增長、輻射的影響或某些疾病的侵襲，骨骼可能會(huì)變得脆弱。這是因?yàn)槟z原交聯(lián)增多，抑制了這一機(jī)制；內(nèi)部增韌隨之轉(zhuǎn)移到更大的尺度，并通過對微裂紋相關(guān)的非彈性變形來實(shí)現(xiàn)。盡管如此，骨骼的主要韌性來源還是外部性的，這主要得益于裂紋橋接和偏轉(zhuǎn)，在裂紋遇到更高礦化界面的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)生。

圖4:骨骼的七個(gè)層次結(jié)構(gòu)及其主導(dǎo)的增韌機(jī)制

受生物啟發(fā)的陶瓷,事實(shí)上陶瓷材料通常,具有出色的比強(qiáng)度,可與金屬相媲美。事實(shí)上,類珍珠氧化鋁陶瓷的比強(qiáng)度和韌性與金屬鋁合金相似,因此可能用作輕質(zhì)裝甲。許多金屬玻璃可能不具有如此低的密度。盡管鈀基合金具有出色的抗斷裂性,但其密度比鎳基合金高20%,比鈦高一倍,這無疑會(huì)是其潛在應(yīng)用的一大考慮因素。然而,大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料,包括碳纖維增強(qiáng)塑料,最初都是應(yīng)用于消費(fèi)品領(lǐng)域。金屬玻璃也不例外,它們可能首先用作手機(jī)和筆記本電腦的外殼,這更多取決于其制造的便利性,而不是其具體力學(xué)性能。