姚清河团队在材料蠕变稳定性和非线性粘弹性理论方面取得进展

发布人：胡文清责任审核人：罗愈业发布日期：2025-05-23

在核反应堆、航空发动机等高温工程领域，金属材料的长期高温蠕变稳定性直接关乎设备寿命与安全。近日，中山大学航空航天学院姚清河教授团队在材料蠕变稳定性和非线性粘弹性理论方面取得进展。相关成果分别以“Nonlinear viscoelasticity of incompressible isotropic solids”和“Predicting delayed stability of metals at constant high temperatures”为题，在机械工程顶级期刊《International Journal of Mechanical Sciences》和金属材料顶级期刊《Materials Science & Engineering A》上发表。攻克了高温蠕变稳定性的阈值应力问题和非线性粘弹性本构建模的核心难题。

传统理论对金属材料在高温下的蠕变与应力松弛行为长期缺乏统一描述。经典模型将材料的粘弹性与粘塑性视为独立叠加效应，既无法解释粘塑性区域的应力松弛现象，也难以准确定义高温环境下的工程允许应力阈值。例如，现有理论认为金属屈服仅与应力相关，但实验和理论分析表明，固体材料的屈服只依赖于应变。屈服如果依赖于应力则能量不守恒。这种理论与实践的脱节导致工程设计过度依赖经验参数，安全冗余设计缺乏科学依据，为高温设备埋下潜在隐患。

针对上述问题，研究团队提出强化叠加本构关系，揭示了粘弹性与粘塑性之间的强化机制。通过实验标定无穷线性弹塑性边界，团队将其作为衡量材料静态稳定性的物理判据，并重新定义了高温下金属的屈服强度与断裂强度。基于此，研究建立了三级蠕变稳定性判据：低应力状态下材料表现为粘弹性固体，应变随时间收敛并趋于稳定；中等应力引发粘弹性向粘塑性转变，虽出现塑性变形但仍可控；而高应力下材料则彻底转化为粘塑性流体，应变持续发散直至断裂。这一判据填补了传统理论只能定性描述蠕变稳定性问题。并首次描述了在粘塑性区域发生的应力松弛行为。

为进一步统一材料力学行为，团队构建了广义本构框架，整合胡克定律、麦克斯韦粘弹性流体模型、开尔文粘弹性固体模型等经典理论，形成覆盖从低温到高温全范围的材料行为预测体系。通过提出非线性粘弹性模型（如Maxwell-Mooney-Rivlin流体松弛模型与Kelvin-Mooney-Rivlin固体蠕变模型），研究实现聚合物材料的蠕变与应力松弛行为的统一表征，并突破传统线性叠加原理的局限，推导出Boltzmann非线性叠加方程组，为多级载荷下的复杂响应提供了解析工具。它是狭义静力学和广义静力学的桥梁方程组。

在工程应用层面，团队通过恒定高温实验明确了不同温度下金属的屈服强度与断裂强度，将理论边界直接映射至工程允许应力，为核反应堆压力容器、航空发动机叶片等关键结构的设计与寿命评估提供了定量依据。这一成果不仅解决了高温材料稳定性预测的难题，更通过参数化模型实现了理论到工程的高效转化，显著提升了安全设计的科学性与经济性。

论文第一作者是中山大学航空航天学院2022级博士生周金来。中山大学集成电路学院彭勃副教授为共同作者。中山大学航空航天学院姚清河教授和杨耿超副教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、粤港澳应用数学中心项目的资助。