Acta Materialia 報道: 大塊金屬玻璃層裂中的杯錐結構

【背景介紹】

材料的動態拉伸斷裂可根據斷裂形態分為兩類：微裂紋擴展形式的脆性斷裂以及孔洞擴展和聯合形式的韌性斷裂。近幾十年來，人們對大塊金屬玻璃在平板撞擊等高應變率載荷作用下的斷裂形貌進行了廣泛的研究，在其層裂面上同時觀察到了韌性（韌窩）和脆性（剪切帶）兩種斷裂形貌，稱為杯錐結構。隨沖擊速度提高，層裂面形貌將發生從孔洞到剪切帶轉變，即“韌脆轉變”。近十年來，人們對金屬玻璃的韌脆轉變進行了大量的研究，包括韌窩-剪切帶轉變以及從剪切帶到更具脆性的準解理斷裂的轉變。許多研究采用分子動力學（MD）和有限元方法（FEM）研究金屬玻璃的層裂損傷機理，包括孔洞成核和剪切帶局域化。但是，分子動力學模擬表明，隨著沖擊速度的增加，成核密度也隨之增加。這與國外已有文獻對杯錐結構演化的預測明顯不同。此外，杯錐結構的許多細節也還不清楚，如成核點間的間距、杯錐結構的尺寸和朝向等。這些統計細節將直接檢驗對杯錐結構演化機制的認識。

【成果簡介】

近日，華南理工大學姚小虎教授課題組和頂峰多尺度研究所羅勝年教授課題組為深入了解杯錐結構形成的基本機理，開展了一系列平板撞擊層裂實驗和系統的表征工作，并借助有限元輔助分析。。研究發現隨沖擊速度的增加層裂強度逐漸增加，而杯錐結構的平均尺寸和頂點成核間距則逐漸減小。掃描電鏡和X射線斷層掃描表面，杯錐結構的朝向存在高度統一的不對稱性，杯結構和錐結構各自分布在遠離樣品自由表面的一側和靠近自由表面的一側。該研究將杯錐結構的頂點定義為初始成核點，激活圓錐形的剪切帶結構，而剪切帶內的后續成核點沿圓錐面分布，最終貫通形成圓錐形斷裂面。研究成果以題為“Cup-cone structure in spallation of bulk metallic glasses”發表在著名期刊Acta Materialia上。該文第一作者為聯合培養博士生唐曉暢，通訊作者為：盧磊博士和姚小虎教授。另一相關工作于2018年發表于 Materials Science and Engineering A。該文提供了杯錐結構圓錐角統計結果，并對杯錐結構的形成機制展開一定討論。鏈接：https://id.elsevier.com/as/TNtvm/resume/as/authorization.ping。

【圖文解讀】

圖一、平板撞擊實驗裝置原理圖

圖二、自由表面速度測量分析
（a）沖擊波傳播和層裂過程的示意圖（位置-時間）以及相應的自由面速度歷程示意圖；

（b）平板撞擊下三元和四元金屬玻璃的代表性自由表面速度歷程。

圖三、相鄰杯錐結構頂點間距的演化
統計結果：不同沖擊速度下的（a）杯錐結構尺寸和頂點間距；（b）層裂強度。

圖四、不同沖擊速度下的層裂面形貌
（a）樣品橫截面；（b-d）層裂面。

圖五、X射線斷層掃描三維重構樣品內部損傷

圖六、有限元模擬設置

圖七、FEM模擬杯錐結構
FEM：（a）損傷程度分布圖，（b）Mises應力分布圖。中心預制成核點。

圖八、FEM模擬成核間距的影響
FEM：損傷程度分布圖，預制成核點（a）兩個，（b）三個。

圖九、應力狀態的影響
FEM分析：（a）單軸應力和單軸應變載荷下的準靜態拉伸應力-應變曲線（實線）和相應的自由體積演化（虛線）；（b）沖擊波剖面的Mises等效應力分布（實線）和自由體積分布（虛線）。

圖十、不同沖擊速度下金屬玻璃層裂損傷演化示意圖

【總結】

綜上所述，基于SEM、CT表征和有限元分析，作者系統研究了平板撞擊下金屬玻璃層裂面上的杯錐結構的形成機制和特征。得出以下主要結論：（1）初始和后續孔洞成核點與斷裂形態直接相關。杯錐結構頂點作為初始成核點激活圓錐形剪切帶，剪切帶內的后續成核點沿圓錐面分布，并擴展、貫通發展成最終斷裂面。（2）隨沖擊速度增加，杯錐結構逐漸取代韌窩，主導層裂面形貌。杯錐結構尺寸和頂點間距隨之減小。（3）杯錐結構的朝向具有傾向性：杯結構和錐結構各自分布在遠離和靠近樣品自由面的一側。（4）在低于HEL的沖擊應力下，也可以激活一定數量的杯錐結構，可能來源于拉伸引起的塑性變形。

文獻鏈接：Cup-cone structure in spallation of bulk metallic glasses（Acta Materialia, 2019, DOI:10.1016/j.actamat.2019.08.006）

通訊作者簡介

頂峰多尺度研究所官方網址：http://www.pims.ac.cn/

本文由CQR編譯。

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