細觀塑性力學(mesoplasticity)

研究材料細觀結構對載荷的響應、演化和失效機理，以及細觀結構對材料宏觀性能的影響的一門新興學科，是材料科學與固體力學緊密結合的產物。

20世紀70年代以來，材料工藝及制造技術突飛猛進。材料設計、加工及精密制造技術已成為一個定量及嚴密的學科，其中發展最為關鍵的一環就是對工程材料的力學性能的認識不斷提高。工程材料的加工是通過塑性變形(如壓力加工和精密切削)進行的。人們研究塑性變形的途徑可分為兩大類：一類是以傳統力學為基礎的唯象理論，強調解決問題的數學表達和邊界解，被稱為宏觀塑性力學；另一類是以物理學為基礎的微觀理論，研究材料真實塑性變形的微觀機理與力學性能(如屈服強度、硬度)之間的相互聯系，被稱為微觀塑性力學。多年來它們在各自領域內發展。

固體塑性變形可以從尺寸量級上分類(見表)，德魯克(D．C．Drucker)對這方面做了討論。表中列出了不同尺寸量級的研究對象以及相應的學科。從表中可以看出，不同學科所關心的研究對象的尺度相差很大，互不相容，但大體可以分為微觀和細觀以及宏觀兩個尺寸范圍。

固體塑性變形的分類

傳統計算力學以“連續介質”假設為基礎，用唯象理論的方法研究并建立了各類材料的本構關系，由此導出了固體力學各類問題的基本方程，建立了相應的解析和數值解法。然而，唯象理論在大應變、高應變速率、非比率加載、率相關、溫度敏感以及晶界效應等問題前遇到了難于逾越的障礙。大量事實表明，材料的力學性質對微觀結構是敏感的。

微觀塑性力學基礎建立于位錯理論，通過位錯運動和晶格其他缺陷來解釋材料的基本性能。由于研究的對象是位錯及晶體缺陷，只能通過電子顯微鏡來觀察，觀察范圍非常細小且研制費時，不適于作為工業生產上質量控制的評定指標。金屬材料在加工過程中會形成品粒的擇優取向(即織構)，它與板材的塑性各向異性有密切關系。隨著X射線衍射技術、晶粒取向分布函數(ODF)分析理論和計算機技術的發展，人們對多晶體金屬板材的微觀結構有了清晰的認識。于是，研究微觀結構與宏觀塑性加工性能的關系便成了當前國際上的新課題。傳統的研究都局限于原有的領域：金屬物理工作者在研究微觀結構，而不關心材料的宏觀性能；力學工作者在研究本構關系，通過實驗確定宏觀性能參數，卻不知道這些參數的由來；從事加工的人在實踐中摸索加工條件，只希望能生產出設計的產品。而細觀塑性力學則對于為什么會有塑性各向異性，怎樣控制它們，什么樣的微觀結構會導致何種加工性能，如何使實驗或生產數據成為預知等問題做出了回答。它旨在建立微觀與宏觀相聯系的橋梁，揭示其內在規律，使人們對材料的微觀結構與宏觀塑性及加工性能不但知其然，而且知其所以然。

將連續體力學的理論方法應用到不同尺寸量級的塑性性質的研究中是細觀塑性力學的主要方法。例如，在位錯量級，位于位錯核以外的晶格可以看作是彈性連續體，而位錯則被認為是彈性體內的線缺陷。在連續滑移的前提下，位錯不再是離散的現象，即被看作是連續變形。在滑移帶以外，晶格仍然被認為是連續體。上述過程是單晶體塑性力學與本構關系相結合的體現。對于再大些的尺寸量級，如亞晶結構、多晶聚合體，也可以采用上面的研究方法。

細觀塑性力學的分析方法可以歸結為以下3個步驟：(1)選擇一個適當的尺寸范圍，使之能夠定量地描述被研究的現象；(2)重點考慮基本微觀結構，而將基底材料視作連續體；(3)利用比所選尺寸量級小一個量級的本構關系作為基底連續體。

細觀塑性研究的另一個重要方面是如何作尺寸量級之間的轉換。從較小量級向較大量級的轉換可用平均法，即取一個體積，在其中有足夠多數量的微觀結構單元重復出現，對其作體平均。這一過程稱為均勻化。目前已發展了許多均勻化的方法和算法，如自適應方法和統計集合法。另一方面是從較大量級向較小量級的轉換，即非均勻化，也是當前的研究熱點。在不同尺寸量級研究數據之間的相互轉換及連接使細觀塑性力學作為一般科學規律而更具完整性。

細觀力學包括實驗、理論和計算這3個緊密聯系的方面。實驗提供了細觀力學的物理依據，理論研究提供了物理規律的抽象模型和基本理論，計算分析則是一種有效的仿真和實驗手段。