华南理工与顶峰多尺度研究所Acta Materialia : 大块金属玻璃层裂中的杯锥结构

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背景介绍
材料的动态拉伸断裂可根据断裂形态分为两类：微裂纹扩展形式的脆性断裂以及孔洞扩展和联合形式的韧性断裂。近几十年来，人们对大块金属玻璃在平板撞击等高应变率载荷作用下的断裂形貌进行了广泛的研究，在其层裂面上同时观察到了韧性（韧窝）和脆性（剪切带）两种断裂形貌，称为杯锥结构。随冲击速度提高，层裂面形貌将发生从孔洞到剪切带转变，即“韧脆转变”。近十年来，人们对金属玻璃的韧脆转变进行了大量的研究，包括韧窝-剪切带转变以及从剪切带到更具脆性的准解理断裂的转变。许多研究采用分子动力学（MD）和有限元方法（FEM）研究金属玻璃的层裂损伤机理，包括孔洞成核和剪切带局域化。但是，分子动力学模拟表明，随着冲击速度的增加，成核密度也随之增加。这与国外已有文献对杯锥结构演化的预测明显不同。此外，杯锥结构的许多细节也还不清楚，如成核点间的间距、杯锥结构的尺寸和朝向等。这些统计细节将直接检验对杯锥结构演化机制的认识。成果简介
近日，华南理工大学姚小虎教授课题组和顶峰多尺度研究所罗胜年教授课题组为深入了解杯锥结构形成的基本机理，开展了一系列平板撞击层裂实验和系统的表征工作，并借助有限元辅助分析。。研究发现随冲击速度的增加层裂强度逐渐增加，而杯锥结构的平均尺寸和顶点成核间距则逐渐减小。扫描电镜和X射线断层扫描表面，杯锥结构的朝向存在高度统一的不对称性，杯结构和锥结构各自分布在远离样品自由表面的一侧和靠近自由表面的一侧。该研究将杯锥结构的顶点定义为初始成核点，激活圆锥形的剪切带结构，而剪切带内的后续成核点沿圆锥面分布，最终贯通形成圆锥形断裂面。研究成果以题为“Cup-cone structure in spallation of bulk metallic glasses”发表在著名期刊Acta Materialia上。该文第一作者为联合培养博士生唐晓畅，通讯作者为：卢磊博士和姚小虎教授。另一相关工作于2018年发表于 Materials Science and Engineering A。该文提供了杯锥结构圆锥角统计结果，并对杯锥结构的形成机制展开一定讨论。
链接：
https://id.elsevier.com/as/TNtvm/resume/as/authorization.ping。
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图文解读
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图一、平板撞击实验装置原理图
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图二、自由表面速度测量分析
（a）冲击波传播和层裂过程的示意图（位置-时间）以及相应的自由面速度历程示意图；
（b）平板撞击下三元和四元金属玻璃的代表性自由表面速度历程。
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图三、相邻杯锥结构顶点间距的演化
统计结果：不同冲击速度下的（a）杯锥结构尺寸和顶点间距；（b）层裂强度。
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图四、不同冲击速度下的层裂面形貌
（a）样品横截面；（b-d）层裂面。
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图五、X射线断层扫描三维重构样品内部损伤
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图六、有限元模拟设置
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图七、FEM模拟杯锥结构
FEM：（a）损伤程度分布图，（b）Mises应力分布图。中心预制成核点。
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图八、FEM模拟成核间距的影响
FEM：损伤程度分布图，预制成核点（a）两个，（b）三个。
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图九、应力状态的影响
FEM分析：（a）单轴应力和单轴应变载荷下的准静态拉伸应力-应变曲线（实线）和相应的自由体积演化（虚线）；（b）冲击波剖面的Mises等效应力分布（实线）和自由体积分布（虚线）。
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图十、不同冲击速度下金属玻璃层裂损伤演化示意图
总结
综上所述，基于SEM、CT表征和有限元分析，作者系统研究了平板撞击下金属玻璃层裂面上的杯锥结构的形成机制和特征。得出以下主要结论：（1）初始和后续孔洞成核点与断裂形态直接相关。杯锥结构顶点作为初始成核点激活圆锥形剪切带，剪切带内的后续成核点沿圆锥面分布，并扩展、贯通发展成最终断裂面。（2）随冲击速度增加，杯锥结构逐渐取代韧窝，主导层裂面形貌。杯锥结构尺寸和顶点间距随之减小。（3）杯锥结构的朝向具有倾向性：杯结构和锥结构各自分布在远离和靠近样品自由面的一侧。（4）在低于HEL的冲击应力下，也可以激活一定数量的杯锥结构，可能来源于拉伸引起的塑性变形。
文献链接：Cup-cone structure in spallation of bulk metallic glasses（Acta Materialia, 2019, DOI:10.1016/j.actamat.2019.08.006）通讯作者简介
顶峰多尺度研究所官方网址：
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