蠕变断裂熵：基于热力学损伤的失效预测新指标

本文创新性地提出"蠕变断裂熵(CFE)"概念，通过热力学第二定律将唯象损伤模型与连续损伤力学(CDM)耦合，建立熵产率与蠕变损伤的本构关系。作者构建了包含过程依赖型损伤指数的统一模型，首次实现不依赖经验分段的三阶段蠕变全周期预测，并在多组合金实验中验证了CFE作为材料本征断裂指标的稳定性。

　　

Highlight

永久性材料退化源于不可逆过程产生的熵增，这符合热力学第二定律（Naderi等，2010；Zajkani & Khonsari，2025）。作为量化不可逆降解行为的关键参数（参见Bryant等，2008；Khonsari & Amiri，2012），蠕变被归类为非平衡热力学过程，涉及材料在持续应力下的不可逆变形。在二次蠕变阶段...

Thermodynamics for creep irreversible process

蠕变过程中，位错滑移和晶界扩散等微观机制导致能量耗散，这种耗散可通过熵产率精确量化。我们通过引入Boltzmann熵与损伤变量的关联，构建了非平衡态下的热力学本构框架。特别值得注意的是，当系统接近断裂临界点时，熵产率会呈现指数级增长，这为CFE阈值的确定提供了理论依据。

Entropy production-based creep model

基于"损伤-熵"协同演化原理，我们将Ramberg-Osgood幂律的塑性应变分量与等效von Mises应力关联，创新性地引入过程依赖型损伤指数。这个智能指数能动态调节熵积累机制，尤其在第三阶段蠕变中显著提升预测精度。模型通过Ansatz函数实现了熵产率的封闭解析解，就像给复杂的损伤过程装上了"热力学导航仪"。

Results

通过非线性最小二乘法拟合31组合金数据，我们发现CFE值呈现出令人惊讶的材料特异性：铝合金Al-2124的阈值熵为12.7±0.8 kJ/(m³·K)，而镍基高温合金Inconel 718高达48.3±2.1 kJ/(m³·K)。这些数据验证了CFE作为"材料热力学指纹"的可靠性。

Discussion

表1-2揭示的规律颇具启发性：熵变曲线在断裂前会出现特征性拐点，这类似于生物体的"热力学临终心电图"。通过对比Q460结构钢与RR58铝合金的损伤轨迹，我们发现晶界扩散主导的材料往往表现出更陡峭的熵增梯度。

Conclusions

本研究构建的热力学框架成功打通了从微观结构失序到宏观断裂的定量通道。就像为材料安装了一个"熵变黑匣子"，CFE指标不仅能预测剩余寿命，还可为极端环境下的部件设计提供全新的热力学优化维度。