固体力学作为人类科学技术史上最先发 展的少数学科之一，在人类文明进化过程中 发挥着至关重要的作用。固体力学兼具技术 科学与基础科学的双重属性，既服务于国家 重大需求，同时也推动着自然科学的发展。 固体的力学性能， 或者说固体的变形与断裂， 是工程科学中一个重要的基础领域。材料在 外界作用下经变形、损伤到失稳或破坏的过 程是固体力学中最大的难题。二十世纪六十 年代钱学森先生在他的《物理讲义》一书中 指出：固体强度与塑性变形是连基本概念也 还不十分清楚的问题。随着自然科学和工程 技术的跨世纪发展，固体力学面临越来越多 的挑战， 从研究对象、研究条件到研究方法， 呈现出一系列新的复杂的特点，比如研究对 象从均匀介质拓展到非均匀介质，服役条件 从简单加载到力 - 热 - 化多场耦合，研究方 法从单一时空尺度到时空多尺度。这些都极 大地拓广了固体力学的学科前沿。

　　金属作为一类最常见的固体材料，在 人类社会发展的历程中，占据着举足轻重的 地位。然而，对于以电子共有化方式成键的 金属材料，几千年来，通常是以化学成分和 拓扑结构有序的方式呈现在我们面前，直 到上世纪六十年代，美国加州理工学院 Pol Duwez 教授研究组通过对 Au-Si 合金进行快速淬火冷却，首次制备出仅有 20μm 厚 的 Au 基非晶合金材料。非晶合金是高温熔 体在冷却过程中不发生晶化，而深度过冷至 玻璃态转变点，结构发生突然“冻结”而形 成的玻璃态固体。非晶合金热力学上处于亚 稳态，呈现拓扑无序结构。这种新型无序金 属的出现打破了建立在金属晶体结构基础上 的传统金属学及力学研究方法，推动了新研 究体系的形成与发展。当时间推进到上世纪 九十年代， 英国牛津大学 Brain Cantor 教授 和我国台湾清华大学叶均蔚教授打破了“合 金化”传统，制备了具有化学无序结构的高 熵合金。高熵合金颠覆传统合金以一种或两 种金属元素为主元的合金设计理念，在成分 上通过独特的等比例或非等比例的多主元设 计，形成了混合熵较高、热力学上亚稳的化 学无序。内在的拓扑 / 化学无序结构赋予了 这些金属材料优异的力学性能，在空天、国 防等诸多领域显示出巨大的应用价值。然而， “无序”带来的不仅是“希望”，同时也是 极大的“挑战”。由于固有的拓扑/化学无序， 这两类合金在外载作用下的变形过程内蕴非 平衡无序结构的跨时空尺度涌现与演化，导 致其变形与断裂行为呈现复杂多样性。这极 大地挑战了传统金属材料基于位错运动的经 典塑性机制、固体本构理论和失效准则。

　　两类无序合金从不同角度打破了人们对 金属变形与断裂的传统认识， 从“有序”到“无 序”，从“单一”到“复杂”。高熵合金虽 然在拓扑上具有晶体有序结构，但成分原子 随机占位，无法区分溶质与溶剂，原子尺寸 与模量的失配导致严重的晶格畸变。化学无 序伴随高熵效应、迟滞扩散效应、强烈的晶 格畸变等，多种效应共同作用使得高熵合金 可以实现优异的强韧匹配，同时在低温和氢 腐蚀等极端环境下仍然表现极好的强韧性。 而要认识高熵合金在这些复杂或极端条件下 的变形与断裂行为，无论是材料本身还是服 役环境，都涉及到多因素、多场耦合作用。 另一方面，拓扑无序导致的固有剪胀效应使 得非晶合金的屈服与断裂不仅仅与剪应力相 关，而是由剪切和压力 / 正应力协同控制。 微观上， 非晶合金表现出准解离、周期条纹、 韧窝、河流状等一系列丰富的断面形貌；宏 观上，其断裂模式具有多样性和显著的拉压 不对称性。然而，传统的屈服准则(比如 Tresca 准则、von Mises 准则，甚至 Mohr- Coulomb 准则等) ，大多是基于对传统合金 断裂行为的认识和理解建立起来的，对于无 序合金等材料涌现的新断裂现象往往无法给 出满意的解释与描述。尤其值得注意的是， 塑性变形和形成新表面作为断裂能耗散的两 种基本微观机制在无序合金中往往是固有的 耦合在一起。到底哪种机制主控裂纹的成核 和扩展，强烈地依赖于裂尖原子所处的无序 环境。如何从原子结构起源出发去探究无序合金的断裂机理并建立其适用的失效准则是 亟需解决的问题。

　　图 金属材料的发展：从有序到无序

　　二十一世纪伊始，关于非晶合金变形 与断裂的研究如火如荼。如何有效表征非晶 合金复杂的断裂行为成为一大难题。材料的 宏观变形和失效起源于微结构。尽管非晶合 金在长程具有无序的特点，其在 ~1nm 尺度 却表现出短程序，而这种短程序对其力学特 性起着十分重要的影响。要想真正反映材料 的宏观变形特点，必须构建起变形断裂与微 观结构的关联。而传统的基于经验和半经验 的方法却难以做到。于是，我们想是否能够 从非晶合金的原子结构出发，通过建立物理 模型，结合数学解析的方法得到有效的断裂 准则？我们尝试从非晶合金原子结构及其相 互作用势着手，考虑特征短程序，构建了非 晶合金的粘聚力模型，进一步通过数学推演 获得了非晶合金的统一失效准则。我们惊喜 的发现，该准则不仅能够很好的表征实验中所观测到的各种断裂行为，如多种断裂模式 和拉压不对称性；同时能够有效预测断裂角 及强度。更重要的是，揭示出非晶合金的塑 性及断裂行为由两个特征无量纲参数统一控 制。十余年来，关于非晶变形与断裂的“无 序”探秘在不断深入，我们从宏观断裂追溯 到剪切带再到塑性流动行为，通过宏微观结 合的方法，揭示了断裂的微观机制、剪切带 的起源与演化、塑性流动不稳定机理等。这 些结果指导我们设计出更强韧以及满足特殊 需求的无序合金材料。令人兴奋的是，化学 无序的高熵合金给合金的强韧化带来了新的 契机，其在低温、氢腐蚀、高速撞击等极端 条件下的应用价值日益凸显。高熵合金复杂 条件下的变形与失效机制成为关键问题。通 过发展多场耦合实验与表征技术，高熵合金 的抗氢脆机制、反常的温度与尺寸效应、氢 抑制动态损伤层裂现象等被一一揭示，这些 研究推动着这种新型材料向应用不断迈进。

　　“无序”是物质或社会学体系的普遍状 态，但世界上没有绝对的“无序”或“有序”， 无序的事物中总是包含有序的因素，而这也 是我们孜孜以求的， 如何在 “无序”中探求 “有序”，从“复杂”中找寻“本质”。未 来我们将不可避免的面对更“无序”与“复杂” 的研究对象与环境， 时刻保持初心与好奇心， 拥抱挑战，开拓创新，砥砺前行。

　　陈艳，副研究员，非 线性力学国家重点实验室。 研究领域：1)无序固体变 形断裂及其微结构关联；2) 多级结构钢索变形失效与 性能优化。