主要观点总结
本文主要讨论了工程材料中强度和韧性的关系，介绍了韧性在材料科学中的重要性以及如何通过内部和外部增韧机制提高材料的韧性。文章还讨论了金属玻璃、陶瓷等材料的强度和韧性特点，以及一些新兴材料的增韧策略。最后，文章通过自然界的启示来进一步探讨材料科学的未来发展。
关键观点总结
关键观点1: 强度和韧性的定义和关系
强度是材料抵御不可逆变形的能力，而韧性是材料抵抗断裂的能力，通常以断裂能量来衡量。在工程材料中，强度和韧性往往相互排斥，需要寻找平衡点。
关键观点2: 内部和外部增韧机制
内部增韧机制主要通过材料的塑性变形来阻碍裂纹的扩展，而外部增韧机制则主要通过桥接等手段降低作用于裂纹尖端的局部应力和应变。不同材料需要采用不同的增韧策略。
关键观点3: 金属玻璃材料的强度和韧性
金属玻璃材料具有出色的强度，但缺乏位错导致塑性变形能力有限，容易在单一剪切带中发生断裂。通过制备金属玻璃基复合材料和精心选择成分，可以提高其韧性。
关键观点4: 陶瓷材料的增韧策略
陶瓷材料通常通过外部增韧机制来实现增韧，如促进裂纹偏转和晶粒桥接。晶界断裂是这些机制发挥作用的关键条件。通过改变微观结构特征，如沿晶界存在脆性纳米级玻璃薄膜，可以显著提高材料的韧性。
关键观点5: 自然界对材料科学的启示
自然界中的材料如贝壳和骨骼展示了如何在分子到宏观尺度上实现材料的强度和韧性平衡。这些结构的分层结构和内部增韧机制为材料科学提供了灵感和借鉴。
文章预览
在工程领域，理想的结构材料需兼具高强度与优异韧性，然而这两者往往难以兼得。这一矛盾并不广为人知，因为在日常语境中，人们常将强度和韧性混为一谈。实际上，强度指的是材料抵御不可逆变形（如塑性变形）的能力，而韧性则关乎材料抵抗断裂的能力，通常以断裂能量来衡量。韧性还可以通过断裂力学方法来评估，比如计算引发或扩展已有裂纹所需的临界裂纹驱动力，如应力强度因子K、应变能释放率G或非线性弹性J积分等参数。关键在于材料能否承受有限的塑性变形——正是这种特性赋予了材料韧性。因为这种能力有助于耗散局部高应力，避免材料发生断裂。这也是为何硬质材料往往更脆，而那些更易发生塑性变形的低强度材料通常更具韧性（见图1a）。 图 1 强度与韧性的 矛盾 The conflicts between strength and toughness a 显示了工程材料的强
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