1638年，伽利略在其名著《两门新科学》中首次对材料破坏需要满足的应力条件进行了讨论，并提出了著名的最大正应力准则。自此之后，新的材料屈服与断裂准则不断被提出，其中最著名的有屈特加准则（1864年提出，或称为最大切应力准则）、范×米塞斯准则（1913年）及莫尔-库仑准则（1773年，1900年）等。20世纪60年代，人们成功地制备出金属玻璃条带，随后在80年代末制备出块体金属玻璃材料。金属玻璃具有极高的屈服强度和断裂强度（可达~5 GPa），自其问世以来便引起了人们的广泛关注。对金属玻璃断裂规律的探索，特别是对其断裂行为与应力条件关系的研究一直是金属玻璃领域研究的重要问题。

　　室温下，金属玻璃的拉伸与压缩断裂常常表现为脆性的剪切断裂。最初，人们发现这种剪切断裂主要沿最大切应力面（与加载轴成45°）发生，这表明剪切面上正应力对金属玻璃的断裂行为无影响，因此可用屈特加准则描述其断裂行为。1989年，英国剑桥大学Donovan博士的研究表明Pd基金属玻璃的压缩剪切断裂角为42°，据此提出其断裂行为应遵循能反映正应力作用的莫尔-库仑准则。1998年，美国橡树岭国家实验室刘锦川教授通过对Zr基金属玻璃的拉伸和压缩实验，发现拉伸剪切断裂角为53°-60°，而压缩剪切断裂角仍为45°，这表明正应力只影响金属玻璃的拉伸断裂行为，而不影响压缩断裂行为。因此，金属玻璃断裂准则问题的研究首先需要澄清剪切面上正应力是否影响其剪切断裂行为。

　　2002年正在德国做洪堡学者的张哲峰博士对这一重要问题产生了浓厚兴趣，他设计了同一成分Zr基金属玻璃样品，并进行了拉伸和压缩对比实验，发现该Zr基金属玻璃的压缩剪切断裂角为43°，而拉伸剪切断裂角为54°，并且压缩强度略大于拉伸强度。结合拉伸与压缩剪切断裂表面形貌的明显差别，张哲峰博士明确提出：剪切面上拉伸正应力对金属玻璃剪切断裂起促进作用，而压缩正应力对剪切断裂起抑制作用，这样就合理地解释了金属玻璃拉伸与压缩强度的不对称性、剪切断裂角的不一致性和断裂表面形貌的差别，这从实验上首次明确了剪切面上正应力对金属玻璃拉伸与压缩剪切断裂行为都具有重要影响，该研究结果发表在Acta Mater. 51 (2003) 1167-1179上。在此基础上，他进一步研究和总结了Zr、Cu、Ni、Fe、Pd、Co和Ti基等不同金属玻璃及其复合材料的断裂规律，发现大多数单相金属玻璃的压缩剪切断裂角略小于45°，而陶瓷粒子、纳米晶或枝晶增强金属玻璃复合材料的压缩剪切断裂角远小于45°；在拉伸载荷作用下，剪切断裂角通常为50°-65°，或者发生拉伸正断，这进一步证实了剪切面上正应力对金属玻璃等高强度材料剪切断裂规律的重要作用，此项研究结果发表在Phys. Rev. Lett., 91 (2003) 045505。这些结果发表后得到了国际同行的广泛关注，至今两篇论文已被引用560余次。此后，世界各国研究者对更多成分金属玻璃材料的研究结果证实了剪切面上正应力对其断裂行为影响的普遍性。

　　至此，剪切面上正应力对剪切变形和断裂的重要影响已经澄清，但是如何描述这一正应力效应仍然存在分歧。一种方法是采用传统的莫尔-库仑准则来半定量地对正应力的影响进行描述，该准则也是目前国际上对金属玻璃断裂研究使用较多的准则。如果定量地比较金属玻璃的拉伸与压缩强度及剪切断裂角的差别，就会发现一方面采用莫尔-库仑准则所预测的拉伸/压缩强度不对称性过大；另一方面该准则预测的拉伸/压缩剪切断裂角度之和恒为90°，这些都与实验事实明显不符。2005年，张哲峰研究员同时考虑剪切面上正应力和切应力对材料断裂的影响，并结合不同材料的性质，提出了新的统一拉伸断裂准则——椭圆准则，该准则不仅可以定量地描述各种金属玻璃材料拉伸断裂行为以及剪切与拉伸正断的转变，还从一个新的角度揭示了不同类型金属材料的强度差别与剪切变形机制。此外，该准则通过提出的新参数α——断裂方式因子的变化，将上述四个经典断裂与强度准则（最大正应力准则、屈特加准则、范×米塞斯准则和莫尔-库仑准则）有机地统一起来，这为材料的强度与断裂理论家族提供了新的判据。此项研究结果发表在Phys. Rev. Lett., 94 (2005) 094301。

　　2010年，张哲峰研究员与其博士研究生屈瑞涛在Zr基金属玻璃拉伸试样中引入了一系列不同角度倾斜缺口，控制剪切断裂沿不同角度面发生，在断裂瞬间不同剪切面具有不同的正应力与切应力组合，系统地研究了正应力对拉伸断裂行为的影响。基于对多种金属玻璃拉伸强度数据和断裂行为的理论分析，他们发现：相对于莫尔-库仑准则，椭圆准则能更加精确地定量描述正应力对金属玻璃拉伸强度与断裂行为的作用（图1），也能合理地解释前人在研究中所观察到的各种金属玻璃材料的拉伸断裂行为。该研究结果从实验上确定了椭圆准则的有效性，并证实椭圆准则可以作为金属玻璃材料的本征拉伸断裂准则。此项研究结果发表在J. Appl. Phys. 109 (2011) 083544。

　　金属玻璃在拉伸载荷下的断裂行为可用椭圆准则进行很好地预测，那么其压缩断裂行为该如何描述？在复杂应力状态下的断裂行为又该如何预测？最近，张哲峰研究员与屈瑞涛博士考察了大量金属玻璃材料的拉伸、压缩以及纯剪切断裂行为，提出金属玻璃材料断裂的三个重要事实：(I) 拉伸与压缩断裂强度存在一定的不对称性；(II) 拉伸与压缩断裂角均偏离45°；(III) 纯剪切时断裂沿最大切应力面发生。基于这些实验事实，并同时考虑材料本征性能与外部实验条件对断裂行为的影响，他们提出了一种能描述复杂应力条件下断裂行为的普适性断裂准则（图2）。该准则认为金属玻璃剪切面上正应力在拉伸与压缩两种类型的加载条件下作用机制不同：拉伸正应力对剪切变形和断裂的影响比压缩正应力的影响更加强烈，这不仅符合宏观断裂的实验事实，也与微观剪切变形机制相一致。该普适性断裂准则不但继承了椭圆准则的统一性特点，具有明确的物理内涵，并且在数学上具有光滑连续性，便于作为失效判据在结构安全设计中的应用。在此基础上，他们通过进一步分析近年来发展的金属超细晶/纳米晶材料、金属玻璃及先进陶瓷等高强度材料的拉伸、压缩断裂行为，发现该普适性断裂准则还可对上述多种高强度材料的拉伸、压缩断裂行为（如强度不对称性、断裂方式等）进行统一性描述（图3），这为深入理解与研究高强度材料的断裂规律和在复杂应力条件下安全设计与可靠性提供了新的理论判据。该研究结果于2013年1月23日在Scientific Reports 在线发表。

　　金属玻璃作为一类新型材料具有与晶体材料不同的微观结构与力学行为，通过对其变形与断裂机制的认识，2003年提出了剪切面上正应力对金属玻璃拉伸与压缩断裂过程分别具有促进或抑制效应，并发现这种正应力效应具有非线性特点，因此，2005年提出了统一拉伸断裂准则——椭圆准则，这个断裂准则可以定量地描述各种金属玻璃拉伸断裂强度与剪切角之间的关系，并于2011年从实验上验证了椭圆准则的有效性。经过10年的思考与探索，对各种材料的强度与破坏规律有了更本质的理解，最近提出了新的具有统一性与普适性的断裂准则，进一步揭示了金属玻璃等高强度材料在复杂应力状态下的破坏规律。在过去十年研究过程中得到了德国洪堡基金会、国家杰出青年基金以及国家自然科学基金重大项目的资助，这同时也得益于沈阳材料科学国家（联合）实验室多年来一直倡导集中精力进行学科关键问题的研究与探索，以及具有特殊性能新材料（金属玻璃）的发现，使研究人员在断裂与强度这一传统学科方向上能够不断深入思考和取得进步。在金属研究所成立60周年之际，祝愿金属研究所的未来能够不断创造新的辉煌！

图1. 金属玻璃拉伸断裂的正应力效应和椭圆准则的实验验证

图2. 普适性断裂准则及其对金属玻璃拉伸、压缩及纯剪切断裂行为的描述

图 3. 普适性断裂准则对多种材料的拉伸-压缩强度不对称行为的统一描述