金屬玻璃斷裂韌性與機制的尺度相關性研究

《金屬玻璃斷裂韌性與機制的尺度相關性研究》是依託武漢大學，由劉澤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：金屬玻璃斷裂韌性與機制的尺度相關性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉澤
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

塊體金屬玻璃由於其高強度、高彈性和耐磨損抗腐蝕等優異的力學性質已經在軍用、民用領域取得了一些重要套用，然而其巨觀準脆性的斷裂行為卻限制了金屬玻璃作為結構件更廣範圍的套用。為了解決這一瓶勁問題，近年來人們開展了關於金屬玻璃塑性變形與斷裂機制的深入研究，並取得了一些重要進展。然而，目前尚未存在一個理論能夠給出金屬玻璃的斷裂韌性與材料參數、試樣幾何以及工藝條件等因素之間的關係，而在實驗上解耦研究上述因素對斷裂韌性測試的影響也存在很大挑戰。對此，本項目擬採用熱塑性成型工藝製備高品質斷裂韌性測試試樣的方法，解耦研究試樣幾何對金屬玻璃斷裂韌性測試的影響，進而研究裂紋尖端從塑性變形到斷裂的轉變機制及其尺度相關性，以期建立斷裂韌性與其他材料參數以及試樣幾何的關係，為實驗室設計和製造高韌性金屬玻璃提供有益指導，從而促進這類新型材料在工程中作為結構材料的廣泛套用。

結題摘要

塊體金屬玻璃由於其高強度、高彈性和耐磨損抗腐蝕等優異的力學性質已經在軍用、民用 領域取得了一些重要套用。然而不同的金屬玻璃可以表現為極脆（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態結構為其斷裂韌性的測量及斷裂機理的研究提出了極大的挑戰，而理論上還不能夠給出金屬玻璃的斷裂韌性與材料參數、試樣幾何以及工藝條件等因素之間的關係。為了解決這一挑戰，本項目基於熱塑性成型工藝，開發了製備高品質斷裂韌性測試試樣的新方法。項目發現利用所開發的新工藝在試樣表面創造局部的平面應變狀態，可以實現小試樣本徵斷裂韌性的測量。這對於高韌材料本徵斷裂韌性的測量，極大降低了試驗難度和試驗成本。基於上述技術，項目系統研究了試樣厚度以及裂紋尖端曲率半徑對剪下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尺寸的正相關特性，為金屬玻璃斷裂韌性的測量提供了實驗和理論基礎。此外，項目還開發了界面裂紋陣列的製備技術，實驗和有限元模擬表明含陣列裂紋體的剪下強度僅與裂紋的面積分數有關，對陣列裂紋的分布不敏感，該技術為金屬玻璃套用中的鑄造尺寸制約提供了可能的解決方案；研發了金屬納米模鑄技術，套用於金屬玻璃裂紋尖端應變場的實驗監測；開發了低頻機械振動技術用於增強金屬玻璃在超冷液相區的流變性能。項目的研究成果可望促進金屬玻璃這類新型材料在工程中作為結構材料的廣泛套用。