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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 材料區(qū) » 金屬 » 非晶合金 » 金屬玻璃拉伸斷裂準則和斷裂機理
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imrsfb鐵桿木蟲 (著名寫手)
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金屬玻璃拉伸斷裂準則和斷裂機理 已有6人參與
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金屬玻璃拉伸斷裂準則和斷裂機理 室溫下，金屬玻璃拉伸斷裂常常沿納米級厚度的剪切帶發(fā)生。已經(jīng)證實剪切斷裂面上的正應力對剪切變形和斷裂具有重要影響，然而如何描述這一正應力效應仍然存在分歧。一般使用傳統(tǒng)的Mohr-Coulomb斷裂準則來定性地對正應力影響剪切斷裂抗力的影響進行描述，這也是目前國際上對非晶斷裂研究使用得比較多的準則。然而如果同時比較金屬玻璃的拉伸與壓縮強度及剪切斷裂角的差別，就會發(fā)現(xiàn)：采用Mohr-Coulomb準則一方面所預測的拉伸/壓縮強度不對稱性過大；另一方面該準則預測的拉壓剪切斷裂角度之和應該為90度，這些都與實驗事實明顯不符。2005年，中國科學院金屬所張哲峰研究員提出了一個新的拉伸斷裂準則：橢圓準則(Phys. Rev.Lett., 94 (2005) 094301)。該準則一方面合理地解釋了各種金屬玻璃材料的拉伸斷裂行為和從剪切到拉伸正斷的連續(xù)轉變，同時橢圓準則通過提出一個新的參數(shù)a—斷裂方式因子的變化，將四個經(jīng)典的斷裂與強度準則（最大正應力準則、Tresca準則、von Mises準則與Mohr-Coulomb準則）有機地統(tǒng)一起來，這為揭示不同性能材料在復雜應力條件下的破壞規(guī)律提供了新的參考判據(jù)。 最近，張哲峰研究員與其博士研究生屈瑞濤通過在Zr基金屬玻璃拉伸試樣中引入了一系列不同角度傾斜缺口，控制剪切斷裂沿不同角度面發(fā)生，在斷裂瞬間不同剪切面具有不同的正應力與切應力組合，從而系統(tǒng)地對拉伸斷裂的正應力效應進行了研究。實驗和理論分析結果表明：相對于Mohr-Coulomb斷裂準則，橢圓準則能更加精確有效地對正應力影響的Zr基金屬玻璃的拉伸斷裂行為進行預測。同時，基于對多種金屬玻璃的拉伸斷裂數(shù)據(jù)和斷裂行為理論分析，發(fā)現(xiàn)橢圓準則有能力對金屬玻璃各種不同程度的正應力效應進行描述，這表明橢圓準則可能是所有金屬玻璃所遵循的本征斷裂準則。該研究結果使得金屬玻璃的拉伸剪切斷裂正應力效應的規(guī)律化描述得以明確，也實驗上確定了橢圓準則的有效性。（結果發(fā)表在Journal of AppliedPhysics 109 (2011) 083544） 此外，我們通過對不同角度缺口拉伸樣品的斷裂表面形貌仔細觀察和斷裂過程分析，并引入物理模型實驗進行對比，進一步研究了拉伸斷裂過程和正應力效應的微觀機理。研究發(fā)現(xiàn)：金屬玻璃的拉伸斷裂是剪切熱和微觀缺陷演化發(fā)展的過程；斷裂源于剪切帶中的剪切熱軟化和結構損傷的共同作用。剪切面上的應力狀態(tài)對拉伸剪切斷裂也有著重要作用：切應力是剪切變形的主要驅動力；拉伸正應力則影響著剪切帶的失效，可促進剪切帶中多余自由體積的產(chǎn)生和剪切膨脹，加速剪切帶中的缺陷演化過程從而促進剪切帶的結構損傷，削弱剪切抗力。據(jù)此而揭示的拉伸斷裂機理也進一步表明了金屬玻璃拉伸斷裂中存在的正應力效應，這與橢圓準則的預測也是一致的。這些研究結果為理解材料破壞的物理本質與強度理論具有重要的意義。（結果發(fā)表在Journal of AppliedPhysics 108 (2010) 063509） 總結：非晶合金作為一類新型材料具有與晶體材料不同的結構與力學行為，我們通過對其變形與斷裂機制的認識，相繼提出非晶合金拉伸與壓縮剪切面上的正應力對其斷裂過程分別具有促進與抑制效應，并在2003年考慮了Mohr-Coulomb斷裂準則可以合理解釋其斷裂角度的差別，隨后全面考慮非晶合金的拉伸與壓縮強度及斷裂角度的差別，發(fā)現(xiàn)剪切面上的正應力對非晶合金變形與斷裂的影響應該具有非線性，并于2005年提出了橢圓準則，這個斷裂準則可以合理解釋非晶合金拉伸與壓縮斷裂強度與剪切角度差別，2011年對該橢圓準則做了進一步的實驗驗證。然而對于一個新觀點與新理論的認識與深入理解需要時間的考驗，也歡迎更多對此感興趣的學者一起共同討論與提高，為正確理解非晶合金的基本變形與斷裂規(guī)律做出各自的貢獻。 歡迎大家踴躍討論，提出寶貴意見，謝謝！ |
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