金屬玻璃斷裂韌性與機(jī)制的尺度相關(guān)性研究

塊體金屬玻璃由于其高強(qiáng)度、高彈性和耐磨損抗腐蝕等優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)在軍用、民用 領(lǐng)域取得了一些重要應(yīng)用。然而不同的金屬玻璃可以表現(xiàn)為極脆（類似陶瓷脆性）或極韌（類似鋼鐵）；另一方面，金屬玻璃的鑄造工藝及亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)為其斷裂韌性的測(cè)量及斷裂機(jī)理的研究提出了極大的挑戰(zhàn)，而理論上還不能夠給出金屬玻璃的斷裂韌性與材料參數(shù)、試樣幾何以及工藝條件等因素之間的關(guān)系。為了解決這一挑戰(zhàn)，本項(xiàng)目基于熱塑性成型工藝，開發(fā)了制備高品質(zhì)斷裂韌性測(cè)試試樣的新方法。項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)利用所開發(fā)的新工藝在試樣表面創(chuàng)造局部的平面應(yīng)變狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)小試樣本征斷裂韌性的測(cè)量。這對(duì)于高韌材料本征斷裂韌性的測(cè)量，極大降低了試驗(yàn)難度和試驗(yàn)成本?；谏鲜黾夹g(shù)，項(xiàng)目系統(tǒng)研究了試樣厚度以及裂紋尖端曲率半徑對(duì)剪切帶演化和斷裂模式的影響，解釋了所觀察到的斷裂韌性與塑性區(qū)尺寸的正相關(guān)特性，為金屬玻璃斷裂韌性的測(cè)量提供了實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。此外，項(xiàng)目還開發(fā)了界面裂紋陣列的制備技術(shù)，實(shí)驗(yàn)和有限元模擬表明含陣列裂紋體的剪切強(qiáng)度僅與裂紋的面積分?jǐn)?shù)有關(guān)，對(duì)陣列裂紋的分布不敏感，該技術(shù)為金屬玻璃應(yīng)用中的鑄造尺寸制約提供了可能的解決方案；研發(fā)了金屬納米模鑄技術(shù)，應(yīng)用于金屬玻璃裂紋尖端應(yīng)變場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)；開發(fā)了低頻機(jī)械振動(dòng)技術(shù)用于增強(qiáng)金屬玻璃在超冷液相區(qū)的流變性能。項(xiàng)目的研究成果可望促進(jìn)金屬玻璃這類新型材料在工程中作為結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。

塊體金屬玻璃由于其高強(qiáng)度、高彈性和耐磨損抗腐蝕等優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)已經(jīng)在軍用、民用領(lǐng)域取得了一些重要應(yīng)用，然而其宏觀準(zhǔn)脆性的斷裂行為卻限制了金屬玻璃作為結(jié)構(gòu)件更廣范圍的應(yīng)用。為了解決這一瓶勁問題，近年來人們開展了關(guān)于金屬玻璃塑性變形與斷裂機(jī)制的深入研究，并取得了一些重要進(jìn)展。然而，目前尚未存在一個(gè)理論能夠給出金屬玻璃的斷裂韌性與材料參數(shù)、試樣幾何以及工藝條件等因素之間的關(guān)系，而在實(shí)驗(yàn)上解耦研究上述因素對(duì)斷裂韌性測(cè)試的影響也存在很大挑戰(zhàn)。對(duì)此，本項(xiàng)目擬采用熱塑性成型工藝制備高品質(zhì)斷裂韌性測(cè)試試樣的方法，解耦研究試樣幾何對(duì)金屬玻璃斷裂韌性測(cè)試的影響，進(jìn)而研究裂紋尖端從塑性變形到斷裂的轉(zhuǎn)變機(jī)制及其尺度相關(guān)性，以期建立斷裂韌性與其他材料參數(shù)以及試樣幾何的關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和制造高韌性金屬玻璃提供有益指導(dǎo)，從而促進(jìn)這類新型材料在工程中作為結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。

隨著概率斷裂力學(xué)工程應(yīng)用的逐步深入，材料斷裂韌性分散性問題，已成為影響含缺陷結(jié)構(gòu)概率安全評(píng)定的關(guān)鍵因素之一。合理解決材料斷裂韌性分散性是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。一方面由于冶金過程等方面的偏差，造成材料斷裂韌性的分散性；另一方面由于試樣幾何尺寸、裂紋長(zhǎng)度測(cè)量等試驗(yàn)誤差，亦會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不確定性，還有不同測(cè)試規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理也會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的不確定性。若缺陷位于焊接部位，影響因素將更加復(fù)雜。除上述原因外，還會(huì)有諸如焊接上藝、焊材、以及不同操作人員及焊后熱處理等因素導(dǎo)致斷裂韌性測(cè)試結(jié)果分散性更加嚴(yán)重。盡管分析和解決其分散性問題如此復(fù)雜，十分困難，然而，在對(duì)含缺陷焊接結(jié)構(gòu)(尤其是工業(yè)鍋爐、壓力容器和管道)進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)，重點(diǎn)就是焊接接頭區(qū)而不是母材。如何處理斷裂韌性的分散性問題已成為工程界不可回避的問題，也是概率安全評(píng)定應(yīng)解決的基本問題之—。

對(duì)材料斷裂韌性分散性規(guī)律的研究，在理論和實(shí)踐上均已取得較大進(jìn)展。

Hauge和Thualow分別采用Weibull分布、LogNormal分布、Slather模型以及Neville模型，對(duì)兩組CTOD數(shù)據(jù)（86個(gè)母材和16個(gè)焊材）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其主要結(jié)論如下：

①兩組CTOD數(shù)據(jù)并非服從形狀參數(shù)為2的Weibull分布（或Slather模型）；雙參數(shù)Weibull分布、LogNormal分布和Neville分布都適宜擬合這些數(shù)據(jù)。

②90%置信限的中位期望值可較好地由LogNormal分布得到；對(duì)于只有三個(gè)子樣時(shí)，能較好地等效于三個(gè)值十取最小值的方法；對(duì)大子樣，LogNormal吻合更好。

③對(duì)于小子樣，LogNormal分布提供最為可靠的估計(jì)，Weibull分布和Neville模型在于樣為3和5時(shí)由于數(shù)據(jù)不夠，難以估計(jì)分布參數(shù)值。

④數(shù)值模擬結(jié)果及擬合結(jié)果均表明LogNormal分布無論對(duì)太子樣還是小于樣，擬合精度足夠，不是特別保守。

Mimura等對(duì)由于材料不均勻而引起斷裂韌性的分散性做了分析與試驗(yàn)研究。經(jīng)過從同一塊板上取樣的CharpyV型試塊試驗(yàn)分析，提出了區(qū)別材料不均勻性導(dǎo)致的分散性與測(cè)試中導(dǎo)致的分散性的方法。

金屬玻璃材料的脆性本質(zhì)是基礎(chǔ)科學(xué)研究的前沿。金屬玻璃材料的力學(xué)性能與原子結(jié)構(gòu)有著緊密聯(lián)系。本項(xiàng)目利用先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)（例如同步輻射、電鏡等技術(shù)）和先進(jìn)理論計(jì)算模擬(反蒙特卡羅, 經(jīng)典和第一性原理MD, 第一性原理密度泛函理論)方法，研究了金屬玻璃的原子結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了金屬玻璃材料的塑性不僅對(duì)測(cè)試溫度非常敏感，而且在中溫區(qū)（約0.6倍玻璃轉(zhuǎn)變溫度）存在一個(gè)塑性極小值，在金屬玻璃材料中首次發(fā)現(xiàn)這種中溫脆性現(xiàn)象，它不同于從低溫到高溫材料發(fā)生脆性到韌性轉(zhuǎn)變的傳統(tǒng)認(rèn)知。深入研究了樣品尺寸大小、拉/壓應(yīng)力狀態(tài)、變形速率、變形溫度對(duì)金屬玻璃發(fā)生從局域變形模式到非局域變形模式的轉(zhuǎn)變的影響，揭示金屬玻璃薄膜材料室溫下呈現(xiàn)出超大彈性應(yīng)變極限的原子機(jī)理、剪切帶原子結(jié)構(gòu)和變形行為。 2100433B