如何準確預報各種工程結構中所用材料的強度是保證各種工程結構安全的關鍵。500多年來，力學等多學科的科學工作者持續不斷地開展了大量有價值的研究工作。然而，到目前為止，由于問題的復雜性，所建立的強度模型和預報理論主要還是基于前人所建立的公設和大量數據所歸納的經驗公式。因此，許多學者也把材料破壞的預報問題歸納為固體力學的終極問題之一。最新的一項研究嘗試了把材料強度的預報問題納入理性的非平衡態熱力學的框架。相關的研究論文題為：“The intrinsic nature of materials failure and the global non-equilibrium energy criterion”，發表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy （《中國科學：物理學 力學 天文學》英文版）2020年第12期，由中山大學王彪教授撰寫。文章把所研究的受載材料樣本當成是熱力學體系，隨著加載進行，材料微結構將產生損傷演化，通過建立演化過程中每一個平衡態的穩定性條件進而建立材料破壞的強度準則。研究發現了一些與前人認知不同的材料強度的本質特性，如材料的破壞狀態類似于臨界想象，是一種全局的性質，局域準則和研究方法可能會導致錯誤的結果。對于含有裂紋的材料，該強度理論同斷裂力學中的應變能釋放率準則和J積分等預報結果是一致的。該項工作的另一個核心貢獻在于利用本征應變的概念模化材料中存在的各種不同類型的缺陷，進而導出了材料體系在外載作用下，含有微結構演化破壞過程的自由能表達式。作為例子，文中把該理論用于多種材料強度問題的預報，并得到了有限的實驗結果的驗證（如下圖所示）。強度理論的說明和預報結果的實驗驗證該項研究的核心是摒棄前人主要依據經驗公式建立強度模型的弊端，把強度預報問題納入理性的分析范疇。隨著新材料的大量涌現，經驗型的強度準則層出不窮，作者認為可以利用熱力學狀態失穩性判據發展統一的強度評價方法和準則，很可能改變工程中長期采用的結構安全性設計和評估的規范和方法。進一步的研究也發現，基于局域本構方程的傳統連續介質力學的方法很難對于變形局域化的行為進行正確的預報，而基于作者發展的連續統熱力學的方法，不需要針對不同的材料建立其本構方程，而只需利用變形過程中能量驅動力和阻力就可以實現對其在外載作用下變形局域化的行為進行準確的預報。利用金屬長桿在拉伸載荷作用下變形的頸縮行為作為例子，通過引進金屬材料的塑性耗散能可以準確地預報出這一現象，不需要利用材料的本構方程。 該項研究得到了國家自然科學基金項目（Grant Nos. 11832019，11472313，13572355）資助。
強度理論的說明和預報結果的實驗驗證
