力化耦合断裂行为广泛存在于能源、国防、材料、生物等关键领域，研究该过程中多场、多尺度的相互作用对于主动控制裂纹演化、提升材料服役寿命具有重要意义。近日，力学研究所超常环境非线性力学全国重点实验室袁泉子研究团队围绕力-化学耦合断裂机制这一关键科学问题，开展了系统性研究，揭示了腐蚀诱导的裂纹尖端演化规律与力学性能变化机制，提出了适用于不同加载模式的断裂理论模型。相关成果分别发表于《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》与《International Journal of Mechanical Sciences》期刊。

研究构建了力化耦合加载实验平台，实现了裂纹演化与裂尖应变场的实时观测。在理论建模方面，基于经典断裂力学理论与化学反应动力学原理，构建了描述裂尖腐蚀演化与断裂行为相互作用的多场耦合模型，系统揭示了耦合环境下的断裂行为演化机制。

研究发现，在腐蚀介质中加载时，裂纹尖端会发生几何钝化与质量损失。裂尖曲率、应变能密度、应变率等多因素协同调控腐蚀速率，引发裂尖局域“钝化—腐蚀—扩展”的复杂反馈机制，显著影响局部应力场分布，最终改变结构强度与断裂临界状态。研究表明，通过调节腐蚀浓度，在特定条件下可实现结构强度的优化与提升。

在此基础上，研究进一步拓展至力化耦合 Ⅱ 型断裂，建立了考虑剪切应力与腐蚀协同作用的理论模型。结果显示，剪切变形诱导界面粗糙化与滑移面形成，进而增强裂尖局部表面能与腐蚀敏感性，引发腐蚀速率上升与裂尖进一步钝化。腐蚀引发的裂纹钝化与应力场变化协同作用，使结构响应对腐蚀浓度呈现非线性、非单调规律。

研究揭示了一种在不同断裂模式下普遍存在的化学增韧效应。在一定腐蚀强度下，腐蚀引发的应力释放与塑性增强可部分抵消强度退化，使结构韧性反而提升。这表明，腐蚀不仅是“破坏源”，在特定条件下也可能成为“增韧因子”，为极端环境下的结构优化设计提供了新的理论指导。

本研究提出了裂尖钝化、化学腐蚀反馈与力学性能演化的多场耦合模型，拓展了腐蚀-断裂协同机制的理论基础，为复杂服役环境下结构可靠性预测与性能优化提供了关键支撑。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105525

https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110360