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金屬玻璃拉伸斷裂準(zhǔn)則和斷裂機(jī)理 已有6人參與
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金屬玻璃拉伸斷裂準(zhǔn)則和斷裂機(jī)理 室溫下，金屬玻璃拉伸斷裂常常沿納米級(jí)厚度的剪切帶發(fā)生。已經(jīng)證實(shí)剪切斷裂面上的正應(yīng)力對(duì)剪切變形和斷裂具有重要影響，然而如何描述這一正應(yīng)力效應(yīng)仍然存在分歧。一般使用傳統(tǒng)的Mohr-Coulomb斷裂準(zhǔn)則來定性地對(duì)正應(yīng)力影響剪切斷裂抗力的影響進(jìn)行描述，這也是目前國際上對(duì)非晶斷裂研究使用得比較多的準(zhǔn)則。然而如果同時(shí)比較金屬玻璃的拉伸與壓縮強(qiáng)度及剪切斷裂角的差別，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則一方面所預(yù)測(cè)的拉伸/壓縮強(qiáng)度不對(duì)稱性過大；另一方面該準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的拉壓剪切斷裂角度之和應(yīng)該為90度，這些都與實(shí)驗(yàn)事實(shí)明顯不符。2005年，中國科學(xué)院金屬所張哲峰研究員提出了一個(gè)新的拉伸斷裂準(zhǔn)則：橢圓準(zhǔn)則(Phys. Rev.Lett., 94 (2005) 094301)。該準(zhǔn)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(zhuǎn)變，同時(shí)橢圓準(zhǔn)則通過提出一個(gè)新的參數(shù)a—斷裂方式因子的變化，將四個(gè)經(jīng)典的斷裂與強(qiáng)度準(zhǔn)則（最大正應(yīng)力準(zhǔn)則、Tresca準(zhǔn)則、von Mises準(zhǔn)則與Mohr-Coulomb準(zhǔn)則）有機(jī)地統(tǒng)一起來，這為揭示不同性能材料在復(fù)雜應(yīng)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(yīng)力與切應(yīng)力組合，從而系統(tǒng)地對(duì)拉伸斷裂的正應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果表明：相對(duì)于Mohr-Coulomb斷裂準(zhǔn)則，橢圓準(zhǔn)則能更加精確有效地對(duì)正應(yīng)力影響的Zr基金屬玻璃的拉伸斷裂行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，基于對(duì)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(zhǔn)則有能力對(duì)金屬玻璃各種不同程度的正應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行描述，這表明橢圓準(zhǔn)則可能是所有金屬玻璃所遵循的本征斷裂準(zhǔn)則。該研究結(jié)果使得金屬玻璃的拉伸剪切斷裂正應(yīng)力效應(yīng)的規(guī)律化描述得以明確，也實(shí)驗(yàn)上確定了橢圓準(zhǔn)則的有效性。（結(jié)果發(fā)表在Journal of AppliedPhysics 109 (2011) 083544） 此外，我們通過對(duì)不同角度缺口拉伸樣品的斷裂表面形貌仔細(xì)觀察和斷裂過程分析，并引入物理模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步研究了拉伸斷裂過程和正應(yīng)力效應(yīng)的微觀機(jī)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(jié)構(gòu)損傷的共同作用。剪切面上的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)拉伸剪切斷裂也有著重要作用：切應(yīng)力是剪切變形的主要驅(qū)動(dòng)力；拉伸正應(yīng)力則影響著剪切帶的失效，可促進(jìn)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(jìn)剪切帶的結(jié)構(gòu)損傷，削弱剪切抗力。據(jù)此而揭示的拉伸斷裂機(jī)理也進(jìn)一步表明了金屬玻璃拉伸斷裂中存在的正應(yīng)力效應(yīng)，這與橢圓準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)也是一致的。這些研究結(jié)果為理解材料破壞的物理本質(zhì)與強(qiáng)度理論具有重要的意義。（結(jié)果發(fā)表在Journal of AppliedPhysics 108 (2010) 063509） 總結(jié)：非晶合金作為一類新型材料具有與晶體材料不同的結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為，我們通過對(duì)其變形與斷裂機(jī)制的認(rèn)識(shí)，相繼提出非晶合金拉伸與壓縮剪切面上的正應(yīng)力對(duì)其斷裂過程分別具有促進(jìn)與抑制效應(yīng)，并在2003年考慮了Mohr-Coulomb斷裂準(zhǔn)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(qiáng)度及斷裂角度的差別，發(fā)現(xiàn)剪切面上的正應(yīng)力對(duì)非晶合金變形與斷裂的影響應(yīng)該具有非線性，并于2005年提出了橢圓準(zhǔn)則，這個(gè)斷裂準(zhǔn)則可以合理解釋非晶合金拉伸與壓縮斷裂強(qiáng)度與剪切角度差別，2011年對(duì)該橢圓準(zhǔn)則做了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然而對(duì)于一個(gè)新觀點(diǎn)與新理論的認(rèn)識(shí)與深入理解需要時(shí)間的考驗(yàn)，也歡迎更多對(duì)此感興趣的學(xué)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(xiàn)。 歡迎大家踴躍討論，提出寶貴意見，謝謝！ |
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