高科技画“土豆”？中南大学这位教授的研究有助于快速准确预测金属使用寿命

湖南日报全媒体记者 余蓉

近年来，科学家研发出了越来越多的新金属材料。其中，镁合金、形状记忆合金等塑性材料主要用在航空航天领域，是大国重器的“脊梁”。目前，这些材料的使用寿命还难以快速准确预测，关键在于，现有理论较难准确描述这些金属材料的屈服轨迹线。

日前，中南大学教授丁发兴科研团队在《中国科学：技术科学》上发表研究论文，构建了平面应力状态下正交异性金属损伤比屈服理论，能快速准确预测不同取向角下各类正交异性金属材料的单轴屈服应力的变化规律。运用这一理论将能绘出多种金属材料“屈服”的轨迹线，从而进一步预测其使用寿命。

屈服过程是指材料从弹性状态进入塑性状态。研究发现，将镁合金等塑性材料从不同方向对其压缩或拉伸时，材料变形的轨迹线各不相同，具有各向正交异性的特征。研究其轨迹线对有效利用材料，并对构件进行准确受力分析具有重要意义。而描述屈服轨迹线规律一直是力学界的难题。

最初，科研人员对金属材料屈服理论的探索与研究，主要采用空气动力学家米塞斯（R.von Mises）于1913年提出的最大形状改变比能理论。“米塞斯屈服理论认为，不管施加多大的拉力或压力，材料各个方向受到的压力强度都相同，力学性能参数也是固定的。”丁发兴表示，团队经过研究发现，不同金属材料的强度指标和损伤比参数皆不相同，可通过测试和计算这些材料力学性能数据，从而绘出不同材料的屈服轨迹。

丁发兴团队研究发现，塑性材料在平面应力状态下的屈服轨迹线具有非常特别的形状，如镁合金表现为鸡蛋圆形状，而形状记忆合金表现为土豆圆形状。

上为镁合金屈服轨迹线预测与实验比较图，下为形状记忆合金屈服轨迹线预测与实验比较图。受访者 供图

丁发兴表示，借助其团队提出的新理论对各类金属材料进行屈服轨迹分析，可使材料的利用更加充分。“比如飞机发动机的缸体材料，我们可以先通过理论分析它在高温高压下的性能，有针对性地选取优质金属材料从而改变材料强度等性能指标，使缸体材料可靠性更高、使用寿命更长。”

据介绍，正交异性金属材料损伤比屈服理论除能描述镁合金和形状记忆合金的屈服轨迹线之外，超高强度钢、铝合金、钛合金和镍钼钨合金等合金材料的双轴屈服轨迹线也能用相同方法方便描述。它是对米塞斯屈服理论的无量纲化和升级，实现了正交异性与各向同性金属材料屈服理论的统一。

目前，该团队正在对石膏、玻璃、陶瓷等其他脆性材料以及复合材料的损伤比参数进行标定，并将损伤比强度理论推进至横观各向同性材料中，力争早日实现更多的工程实际意义。

（一审：余蓉；二审：段涵敏；三审：杨又华）