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铁杆木虫 (著名写手)

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[交流] 金属玻璃拉伸断裂准则和断裂机理已有6人参与

金属玻璃拉伸断裂准则和断裂机理

室温下，金属玻璃拉伸断裂常常沿纳米级厚度的剪切带发生。已经证实剪切断裂面上的正应力对剪切变形和断裂具有重要影响，然而如何描述这一正应力效应仍然存在分歧。一般使用传统的Mohr-Coulomb断裂准则来定性地对正应力影响剪切断裂抗力的影响进行描述，这也是目前国际上对非晶断裂研究使用得比较多的准则。然而如果同时比较金属玻璃的拉伸与压缩强度及剪切断裂角的差别，就会发现：采用Mohr-Coulomb准则一方面所预测的拉伸/压缩强度不对称性过大；另一方面该准则预测的拉压剪切断裂角度之和应该为90度，这些都与实验事实明显不符。2005年，中国科学院金属所张哲峰研究员提出了一个新的拉伸断裂准则：椭圆准则(Phys. Rev.Lett., 94 (2005) 094301)。该准则一方面合理地解释了各种金属玻璃材料的拉伸断裂行为和从剪切到拉伸正断的连续转变，同时椭圆准则通过提出一个新的参数a—断裂方式因子的变化，将四个经典的断裂与强度准则（最大正应力准则、Tresca准则、von Mises准则与Mohr-Coulomb准则）有机地统一起来，这为揭示不同性能材料在复杂应力条件下的破坏规律提供了新的参考判据。

最近，张哲峰研究员与其博士研究生屈瑞涛通过在Zr基金属玻璃拉伸试样中引入了一系列不同角度倾斜缺口，控制剪切断裂沿不同角度面发生，在断裂瞬间不同剪切面具有不同的正应力与切应力组合，从而系统地对拉伸断裂的正应力效应进行了研究。实验和理论分析结果表明：相对于Mohr-Coulomb断裂准则，椭圆准则能更加精确有效地对正应力影响的Zr基金属玻璃的拉伸断裂行为进行预测。同时，基于对多种金属玻璃的拉伸断裂数据和断裂行为理论分析，发现椭圆准则有能力对金属玻璃各种不同程度的正应力效应进行描述，这表明椭圆准则可能是所有金属玻璃所遵循的本征断裂准则。该研究结果使得金属玻璃的拉伸剪切断裂正应力效应的规律化描述得以明确，也实验上确定了椭圆准则的有效性。（结果发表在Journal of AppliedPhysics 109 (2011) 083544）

此外，我们通过对不同角度缺口拉伸样品的断裂表面形貌仔细观察和断裂过程分析，并引入物理模型实验进行对比，进一步研究了拉伸断裂过程和正应力效应的微观机理。研究发现：金属玻璃的拉伸断裂是剪切热和微观缺陷演化发展的过程；断裂源于剪切带中的剪切热软化和结构损伤的共同作用。剪切面上的应力状态对拉伸剪切断裂也有着重要作用：切应力是剪切变形的主要驱动力；拉伸正应力则影响着剪切带的失效，可促进剪切带中多余自由体积的产生和剪切膨胀，加速剪切带中的缺陷演化过程从而促进剪切带的结构损伤，削弱剪切抗力。据此而揭示的拉伸断裂机理也进一步表明了金属玻璃拉伸断裂中存在的正应力效应，这与椭圆准则的预测也是一致的。这些研究结果为理解材料破坏的物理本质与强度理论具有重要的意义。（结果发表在Journal of AppliedPhysics 108 (2010) 063509）

总结：非晶合金作为一类新型材料具有与晶体材料不同的结构与力学行为，我们通过对其变形与断裂机制的认识，相继提出非晶合金拉伸与压缩剪切面上的正应力对其断裂过程分别具有促进与抑制效应，并在2003年考虑了Mohr-Coulomb断裂准则可以合理解释其断裂角度的差别，随后全面考虑非晶合金的拉伸与压缩强度及断裂角度的差别，发现剪切面上的正应力对非晶合金变形与断裂的影响应该具有非线性，并于2005年提出了椭圆准则，这个断裂准则可以合理解释非晶合金拉伸与压缩断裂强度与剪切角度差别，2011年对该椭圆准则做了进一步的实验验证。然而对于一个新观点与新理论的认识与深入理解需要时间的考验，也欢迎更多对此感兴趣的学者一起共同讨论与提高，为正确理解非晶合金的基本变形与断裂规律做出各自的贡献。

欢迎大家踊跃讨论，提出宝贵意见，谢谢！

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