第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

工程结构的破坏通常是由材料的破坏引起的，在破坏过程产生之前材料大都经历较大的变形，因此塑性变形的研究就成了关键的部分。塑性变形的研究必然涉及材料的屈服、硬化和塑性流动规律的正确描述以及材料在疲劳载荷下的响应。即使是宏观均匀变形下，由于材料局部结构的不均匀分布导致其内部微观变形也极不均匀。塑性变形的不均匀分布导致材料在承载过程中局部区域出现很高的应力或应变，这些局部区域就可能产生损伤，诱导材料局部发生破坏。不同的应力状态、不同的加载路径引起的内部应力、应变不均匀程度有很大区别，从而诱发了各种不同的破坏方式。

循环疲劳破坏是工程结构破坏的最常见原因之一。金属、塑料、混凝土等各种结构材料，在载荷的反复作用下都会产生疲劳问题。由于在循环载荷作用下，构件在其循环应力远低于拉伸强度极限的条件下就有可能发生破坏，并且疲劳破坏时没有明显的塑性变形，破坏十分突然，往往造成灾难性事故，引起巨大的人员和经济损失。因此，研究疲劳破坏的原因，对结构疲劳寿命以合理的估计，防止疲劳事故的发生，对于经济发展和科技进步都有重大的意义。

结构或构件无论是在单调载荷下的破坏还是复杂循环载荷下的疲劳破坏，破坏的起始和发展通常都处于非常小的活动区域，是一定宏观条件推动下在微小区域发展的过程。要研究这一过程的物理机制，不可避免地要涉及微小尺度下材料的结构特点及其力学行为。而且对于不同的材料、不用结构或不同类型的载荷，破坏发生的方式也极为不同，无论是人工材料还是天然材料其强度都难以保持一致，微观薄弱处总是存在的。相同的应力状态下，材料的破坏往往是从其中最弱的环节开始，因此影响结构强度破坏的主要因素还在于材料微结构本身的力学性能。

材料的宏观变形及塑性的发展与微观结构的力学特征有着重要的联系。对最常见的晶体金属材料，在微小尺度下其形态通常呈现不同程度的不均匀性，包含了晶粒、晶界、相、夹杂等微结构。由于取向的随机性，微尺度下材料的不均匀性不仅体现在结构形态上，而且体现在代表性单元内不均匀微结构的各向异性上。在这一尺度下研究材料的破坏过程就必须要考虑材料微结构的随机分布性质和不均匀各向异性的力学性质。

对于金属结构而言，要保证其结构的安全就需要彻底了解金属材料的破坏规律，从物理机制上揭示破坏现象产生的原因，进一步发展和完善破坏理论。此外，材料的破坏与其自身的微结构及其力学行为密切有关，如果能够得到材料的微结构演化规律就可望揭示材料破坏的微观机理，从而实现对材料破坏的预测。

因此，要想对结构破坏或结构疲劳寿命以准确的估计，就要在理论上了解材料的损伤破坏机理，包含其本构关系、材料微观力学特性、破坏模式等。研究材料的微结构就不可避免涉及材料的不均匀性和塑性各向异性的特征。在晶粒尺度下开展金属材料的塑性变形行为及其循环破坏的研究，可以发展更贴近材料物理本质的塑性本构理论，能更好地揭示材料破坏机理，为材料及结构的损伤、破坏、寿命估计提供强有力的力学支持。