Nb3Sn超导体临界性能多尺度多物理场耦合特性及其本构描述是超导电磁固体力学、超导电工技术、装备的数字化设计与制造、超导材料科学等学科关注的基本问题。本书围绕强磁场磁体用Nb3Sn超导体临界性能的微结构理论与多尺度多物理场模拟，针对力—电磁—热多物理场环境下Nb3Sn临界性能和失超在不同尺度上的响应规律及关联，建立了Nb3Sn超导体临界性能预测和分析的多尺度理论模型，并与实验观测结果进行了比对验证。本书建立了考虑超导体多尺度效应的非线性理论模型，发展了相应的数值仿真算法，为强磁场超导磁体装备设计制造、失超防护技术的发展，以及强稳定性超导体的研发提供了支撑。本书理论分析严格而缜密，可以作为从事固体力学、超导磁体装备设计与制造、超导材料制备等领域研究的技术人员及其他各类科研工作者的参考书，也可以作为相关专业研究生的参考资料。

前 言 从薪柴时代到煤炭时代，再到油气时代，人类的能源利用经历了数次演变，随着能源利用总量的不断增长，能源结构也在不断发生变化，新能源技术的开发利用对世界能源发展具有重要意义。 2020年7月28日，中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国、印度七方30多个国家共同参与的国际热核聚变反应堆（ITER）计划重大工程托卡马克磁体装置启动主体安装工作，标志着人类距离实现“人造太阳”的梦想又近了一步。2025—2037年，ITER将正式进入装置运行期。作为构筑ITER托卡马克磁体核心构件的关键材料，Nb3Sn超导体在强磁场超导磁体领域得到了广泛关注。Nb3Sn超导体失超，是强磁场超导磁体装备运行过程中的重要现象，失超瞬时释放的巨大电磁能量，会导致超导磁体装备局部温度过高而被毁伤，并产生高电压击穿绝缘保护层，严重影响装备的服役安全，给强磁场超导磁体装备制造和防护带来严峻的挑战。 力学在新能源工程装备制造领域的重要性越来越突出：强磁场超导磁体的安全性分析需要揭示电磁能与超导体相互作用的瞬态演化机理，精确描述失超发生的瞬态演化过程，以及这些过程诱导的超导体结构演变与物性演化，由此给出在极端环境和多场耦合条件下的失稳准则，并对服役强磁场超导磁体结构的设计进行精准评估。失超演化过程本质上是一个多物理过程耦合、多时空尺度演化、多重速率竞争（磁扩散速率、热传导速率、裂纹萌生和扩展速率、相转变速率）的问题，相互依赖的过程和现象会在不同的空间尺度和时间尺度上各自变化发展并同时耦联竞争。Nb3Sn超导体的临界性能分析是失超瞬态行为研究的基础和核心。为了提高能源器件及能源装置设计中的力学与多场耦合分析水平，需要研究和解决在复杂多物理场环境下服役材料结构力电耦合效应的建模和数值模拟问题。本书介绍了Nb3Sn超导体在新能源技术应用中需要解决的几个关键问题：Nb3Sn超导体变形—超导临界性能耦合特性机理及其本构描述；Nb3Sn超导体临界性能的微结构理论与多尺度多物理场模拟框架的建立；Nb3Sn超导体失超瞬态过程多时空演化结构。这些研究工作建立了考虑超导体多尺度效应的非线性理论模型，发展了相应的数值仿真算法，对超导电磁固体力学理论体系的建立起到了一定的推动和促进作用，同时为强磁场超导磁体装备的设计制造、失超防护技术的发展，以及强稳定性超导体的研发提供了支撑。 本书在介绍力—电磁—热多物理场环境下Nb3Sn超导体临界性能和失超在不同尺度的响应规律及关联的同时，着重介绍了作者近年来取得的研究成果。考虑新能源装备制造工作人员与力学工作者对相关理论的应用需求，本书保持了严格且缜密的理论分析，同时又由浅入深地介绍了如何建立描述Nb3Sn超导体临界性能多尺度多物理场耦合特性及失超实验现象的基本理论模型，并给出了实现定量分析的方法，便于读者理解相关的理论知识和分析方法。 在本书出版之际，深深感谢导师郑晓静院士（2012年由兰州大学调入西安电子科技大学），导师严谨的治学、独到的学术眼光、积极的人生态度影响了我。由于她的引领，我进入了超导电磁固体力学这一崭新的领域；她的悉心指导和帮助，使我从事科学研究的能力有了大幅提高。衷心感谢国家自然科学基金委员会对本书研究工作给予的支持和资助！感谢太原理工大学机械与运载工程学院应用力学研究所在科研工作中给予的大力支持！感谢电子工业出版社在本书出版过程中提供的帮助！ 乔力 2021年8月

目 录 第1章 绪论 001 1.1 Nb3Sn超导体变形—临界性能耦合特性 007 1.2 Nb3Sn超导体失超 013 1.3 本书主要内容 019 参考文献 020 第2章 多物理场环境下Nb3Sn超导体相转变的经验和半经验模型 031 2.1 Nb3Sn超导体临界性能的经验和半经验模型 033 2.1.1 一维变形状态 033 2.1.2 三维变形状态 037 2.2 多物理场环境下超导相转变的唯象模型 041 2.2.1 多物理场环境下Nb3Sn超导体相转变唯象模型的建立 042 2.2.2 唯象模型预测结果有效性的讨论 046 2.3 本章小结 049 参考文献 049 第3章 Nb3Sn超导体的微结构特征和多层级力学模型 055 3.1 Nb3Sn的晶体结构建模及力学性能 058 3.1.1 第一性原理模拟简介 058 3.1.2 VASP软件简介 064 3.1.3 Nb3Sn晶体结构建模及基本力学性能参数计算 065 3.2 Nb3Sn超导体的分子动力学模型 066 3.2.1 分子动力学模拟简介 066 3.2.2 Nb3Sn分子动力学模拟 071 3.2.3 静水压加载模式下Nb3Sn单晶体和多晶体的变形分析 074 3.3 Nb3Sn多晶体的有限元模型 081 3.3.1 Nb3Sn Voronoi多晶体的有限元模型信息 083 3.3.2 晶粒弹性矩阵及随机取向赋予 084 3.3.3 周期性边界条件 086 3.3.4 Nb3Sn多晶体模型计算结果分析 087 3.4 Nb3Sn复合超导体的有限元模型及应力状态分析 091 3.4.1 Nb3Sn复合超导体的多级结构 091 3.4.2 Nb3Sn复合超导体中微结构的应力状态 101 3.5 本章小结 108 参考文献 108 第4章 复杂应变状态下Nb3Sn超导体临界曲面漂移的多尺度分析 115 4.1 Nb3Sn超导体临界性能的微结构理论 118 4.1.1 多轴应变状态下Nb3Sn超导体临界性能的简化分析 118 4.1.2 费米面上电子态密度的重要性 128 4.1.3 应变诱导Nb3Sn超导体临界性能弱化的基本理论 140 4.2 Nb3Sn超导体临界性能的多尺度分析方法 149 4.2.1 基本计算方法 149 4.2.2 静水压强诱导Nb3Sn超导体临界温度退化的多尺度分析 152 4.2.3 轴向载荷作用下Nb3Sn复合超导体临界性能的弱化 158 4.2.4 超导相转变的两尺度耦合分析方法 161 4.3 本章小结 165 参考文献 166 第5章 马氏体相变对Nb3Sn超导体正常态电阻率行为的影响 171 5.1 Nb3Sn超导体正常态电阻率的唯象模型 173 5.1.1 Nb3Sn超导体正常态电阻率应变效应简介 173 5.1.2 唯象模型的建立 175 5.1.3 力—热耦合作用下Nb3Sn超导体正常态电阻率变化的定量分析 180 5.1.4 小结 182 5.2 马氏体相变对电阻率行为的影响 183 5.2.1 半经验半解析耦合分析模型 184 5.2.2 结果讨论 187 5.3 本章小结 189 参考文献 189 第6章 Nb3Sn超导体失超分析 193 6.1 Nb3Sn失超瞬态微结构的热应力和传热分析方法 196 6.2 Nb3Sn超导体失超瞬态微结构的热分布和热应力 199 6.3 本章小结 204 参考文献 204 第7章 总结与展望 207 ?