在工程領域，理想的結構材料需兼具高強度與優異韌性，然而這兩者往往難以兼得。這一矛盾并不廣為人知，因為在日常語境中，人們常將強度和韌性混為一談。實際上，強度指的是材料抵御不可逆變形（如塑性變形）的能力，而韌性則關乎材料抵抗斷裂的能力，通常以斷裂能量來衡量。韌性還可以通過斷裂力學方法來評估，比如計算引發或擴展已有裂紋所需的臨界裂紋驅動力，如應力強度因子K、應變能釋放率G或非線性彈性J積分等參數。關鍵在于材料能否承受有限的塑性變形——正是這種特性賦予了材料韌性。因為這種能力有助于耗散局部高應力，避免材料發生斷裂。這也是為何硬質材料往往更脆，而那些更易發生塑性變形的低強度材料通常更具韌性（見圖1a）。

圖1 強度與韌性的矛盾The conflicts between strength and toughness

a顯示了工程材料的強度-韌性關系。

材料斷裂的奧秘是多維度的，而納米/微觀結構扮演著核心角色。在裂紋尖端，一個微妙的過程區悄然形成，這里第二相可能會經歷開裂或解粘等關鍵過程。內部增韌機制在此發揮著重要作用，它增加了裂紋擴展的難度，深刻影響著裂紋的起始和傳播。與此同時，外部增韌機制則聚焦于裂紋尾部，通過橋接等手段降低作用于裂紋尖端的局部應力和應變，有效阻礙裂紋的進一步擴展。這些外部機制多樣而復雜，無論是復合材料中的纖維橋接、單相陶瓷中的晶粒間斷裂摩擦咬合，還是骨骼中膠原纖維跨越微裂紋的現象，它們都只能對已有裂紋產生影響。 外部增韌的效果與裂紋的長度密切相關，這導致了一種被稱為韌性行為的現象——即為了維持裂紋的亞臨界擴展，需要增加裂紋驅動力。內部增韌是韌性材料抗斷裂的關鍵因素。大多數金屬材料通過這種方式實現增韌，因此材料強度越高，可用于內部增韌的塑性就越少。從鋼制壓力容器到鋁合金飛機機身等關鍵結構應用中廣泛采用這些合金的較低強度版本，以預防過早失效的風險。

在材料科學領域，新型金屬玻璃材料（BMG）以其卓越的強度和獨特的性能脫穎而出。這些100%非晶態材料展現出驚人的抗拉強度，輕松達到1-2GPa。然而，由于缺乏位錯，BMG主要通過剪切帶的啟動和擴展來塑性變形，這可能導致材料變得異常脆弱。在拉伸過程中，單一剪切帶可能穿透整個樣品，引發微小應變下的斷裂。 為了賦予這些高強度材料韌性，關鍵在于在剪切帶空洞化并轉變為裂紋之前局部阻斷它們。這樣做可以促進多個剪切帶的形成，釋放局部高應力。一種有效的方法是制備BMG基復合材料，在其中摻入晶體第二相——樹枝晶——以阻斷剪切帶（如圖2所示）。但樹枝晶的間距必須足夠小，在剪切帶/裂紋引發災難性失效前就將其阻斷。換句話說，樹枝晶間距的特征微觀尺度必須與失效臨界裂紋尺度的特征力學尺度相匹配。

圖2 金屬玻璃合金的強度和韌性策略

在材料科學的前沿，Zr-Ti-Nb-Cu-Be玻璃以其42-67體積%的樹枝晶含量，展現出了卓越的斷裂韌性（100-160 MPa m1/2）和拉伸屈服強度（1.1-1.5 GPa），成為結構材料中罕見的強度與韌性兼備的佼佼者。更令人矚目的是，一種單相無定型Pd-Ag-P-Si-Ge玻璃合金，以其驚人的強度和韌性性能脫穎而出。這種合金通過精心選擇成分，實現了高體模量與低切模量的完美結合。在負載下，它們能夠產生大量剪切帶，模擬出大尺度塑性變形（如圖2c所示），而這些剪切帶卻不會進一步發展成裂紋。這些合金的斷裂韌性高達200 MPa m1/2，拉伸強度超過1.5 GPa，堪稱史上最耐損傷的材料。盡管成本高昂且目前只能制成直徑約6 mm的小截面產品。 對于脆性材料而言，外部增韌是其增韌的主要手段，在許多情況下甚至是唯一的途徑。在單相陶瓷材料如碳化硅、氮化硅和氧化鋁中，內部增韌需要改變鍵合強度，這在實際操作中是不可行的。然而，通過促進裂紋偏轉和晶粒橋接等機制，這些材料可以輕松實現外源性增韌（如圖3所示）。晶界斷裂通常是這些機制發揮作用的關鍵條件。以碳化硅為例，在穿晶斷裂時其斷裂韌性約為2-3 MPa m1/2；而在沿晶斷裂時，則可達到10 MPa m1/2。關鍵在于沿晶界存在脆性納米級玻璃薄膜這一微觀結構特征，它促進了晶界開裂和晶粒橋接的過程，從而顯著提高了材料的韌性。

圖3單晶陶瓷的外部增韌

自然界的奇跡在材料科學中也能找到其影子。以貝殼為例，它們展示了自然界在制造既堅硬又韌性十足的材料方面超越人類的能力。生物和自然材料之所以如此出色，很大程度上歸功于它們的分層結構，這種結構從分子層面一直延伸到接近宏觀尺度，賦予了它們獨特的特性。內部增韌機制，即塑性變形，通常發生在亞微米尺度，類似于金屬中的納米位錯。而外部增韌和斷裂過程則在更宏觀的微米尺度上發生。 以人體皮質骨為例，內部增韌——塑性變形——源自納米至幾百納米尺度的纖維滑移機制，這與礦化膠原纖維密切相關。然而，隨著年齡的增長、輻射的影響或某些疾病的侵襲，骨骼可能會變得脆弱。這是因為膠原交聯增多，抑制了這一機制；內部增韌隨之轉移到更大的尺度，并通過對微裂紋相關的非彈性變形來實現。盡管如此，骨骼的主要韌性來源還是外部性的，這主要得益于裂紋橋接和偏轉，在裂紋遇到更高礦化界面的骨質結構時發生。

圖4:骨骼的七個層次結構及其主導的增韌機制

受生物啟發的陶瓷,事實上陶瓷材料通常,具有出色的比強度,可與金屬相媲美。事實上,類珍珠氧化鋁陶瓷的比強度和韌性與金屬鋁合金相似,因此可能用作輕質裝甲。許多金屬玻璃可能不具有如此低的密度。盡管鈀基合金具有出色的抗斷裂性,但其密度比鎳基合金高20%,比鈦高一倍,這無疑會是其潛在應用的一大考慮因素。然而,大多數結構材料,包括碳纖維增強塑料,最初都是應用于消費品領域。金屬玻璃也不例外,它們可能首先用作手機和筆記本電腦的外殼,這更多取決于其制造的便利性,而不是其具體力學性能。