金属玻璃断裂韧性与机制的尺度相关性研究

块体金属玻璃由于其高强度、高弹性和耐磨损抗腐蚀等优异的力学性质已经在军用、民用 领域取得了一些重要应用。然而不同的金属玻璃可以表现为极脆（类似陶瓷脆性）或极韧（类似钢铁）；另一方面，金属玻璃的铸造工艺及亚稳态结构为其断裂韧性的测量及断裂机理的研究提出了极大的挑战，而理论上还不能够给出金属玻璃的断裂韧性与材料参数、试样几何以及工艺条件等因素之间的关系。为了解决这一挑战，本项目基于热塑性成型工艺，开发了制备高品质断裂韧性测试试样的新方法。项目发现利用所开发的新工艺在试样表面创造局部的平面应变状态，可以实现小试样本征断裂韧性的测量。这对于高韧材料本征断裂韧性的测量，极大降低了试验难度和试验成本。基于上述技术，项目系统研究了试样厚度以及裂纹尖端曲率半径对剪切带演化和断裂模式的影响，解释了所观察到的断裂韧性与塑性区尺寸的正相关特性，为金属玻璃断裂韧性的测量提供了实验和理论基础。此外，项目还开发了界面裂纹阵列的制备技术，实验和有限元模拟表明含阵列裂纹体的剪切强度仅与裂纹的面积分数有关，对阵列裂纹的分布不敏感，该技术为金属玻璃应用中的铸造尺寸制约提供了可能的解决方案；研发了金属纳米模铸技术，应用于金属玻璃裂纹尖端应变场的实验监测；开发了低频机械振动技术用于增强金属玻璃在超冷液相区的流变性能。项目的研究成果可望促进金属玻璃这类新型材料在工程中作为结构材料的广泛应用。

块体金属玻璃由于其高强度、高弹性和耐磨损抗腐蚀等优异的力学性质已经在军用、民用领域取得了一些重要应用，然而其宏观准脆性的断裂行为却限制了金属玻璃作为结构件更广范围的应用。为了解决这一瓶劲问题，近年来人们开展了关于金属玻璃塑性变形与断裂机制的深入研究，并取得了一些重要进展。然而，目前尚未存在一个理论能够给出金属玻璃的断裂韧性与材料参数、试样几何以及工艺条件等因素之间的关系，而在实验上解耦研究上述因素对断裂韧性测试的影响也存在很大挑战。对此，本项目拟采用热塑性成型工艺制备高品质断裂韧性测试试样的方法，解耦研究试样几何对金属玻璃断裂韧性测试的影响，进而研究裂纹尖端从塑性变形到断裂的转变机制及其尺度相关性，以期建立断裂韧性与其他材料参数以及试样几何的关系，为实验室设计和制造高韧性金属玻璃提供有益指导，从而促进这类新型材料在工程中作为结构材料的广泛应用。

随着概率断裂力学工程应用的逐步深入，材料断裂韧性分散性问题，已成为影响含缺陷结构概率安全评定的关键因素之一。合理解决材料断裂韧性分散性是一个十分复杂的问题。一方面由于冶金过程等方面的偏差，造成材料断裂韧性的分散性；另一方面由于试样几何尺寸、裂纹长度测量等试验误差，亦会导致测试结果的不确定性，还有不同测试规范和标准对测试数据的处理也会导致测试结果的不确定性。若缺陷位于焊接部位，影响因素将更加复杂。除上述原因外，还会有诸如焊接上艺、焊材、以及不同操作人员及焊后热处理等因素导致断裂韧性测试结果分散性更加严重。尽管分析和解决其分散性问题如此复杂，十分困难，然而，在对含缺陷焊接结构(尤其是工业锅炉、压力容器和管道)进行安全评定时，重点就是焊接接头区而不是母材。如何处理断裂韧性的分散性问题已成为工程界不可回避的问题，也是概率安全评定应解决的基本问题之—。

对材料断裂韧性分散性规律的研究，在理论和实践上均已取得较大进展。

Hauge和Thualow分别采用Weibull分布、LogNormal分布、Slather模型以及Neville模型，对两组CTOD数据（86个母材和16个焊材）进行了统计分析，其主要结论如下：

①两组CTOD数据并非服从形状参数为2的Weibull分布（或Slather模型）；双参数Weibull分布、LogNormal分布和Neville分布都适宜拟合这些数据。

②90%置信限的中位期望值可较好地由LogNormal分布得到；对于只有三个子样时，能较好地等效于三个值十取最小值的方法；对大子样，LogNormal吻合更好。

③对于小子样，LogNormal分布提供最为可靠的估计，Weibull分布和Neville模型在于样为3和5时由于数据不够，难以估计分布参数值。

④数值模拟结果及拟合结果均表明LogNormal分布无论对太子样还是小于样，拟合精度足够，不是特别保守。

Mimura等对由于材料不均匀而引起断裂韧性的分散性做了分析与试验研究。经过从同一块板上取样的CharpyV型试块试验分析，提出了区别材料不均匀性导致的分散性与测试中导致的分散性的方法。

金属玻璃材料的脆性本质是基础科学研究的前沿。金属玻璃材料的力学性能与原子结构有着紧密联系。本项目利用先进实验技术（例如同步辐射、电镜等技术）和先进理论计算模拟(反蒙特卡罗, 经典和第一性原理MD, 第一性原理密度泛函理论)方法，研究了金属玻璃的原子结构与力学性能的关系，发现了金属玻璃材料的塑性不仅对测试温度非常敏感，而且在中温区（约0.6倍玻璃转变温度）存在一个塑性极小值，在金属玻璃材料中首次发现这种中温脆性现象，它不同于从低温到高温材料发生脆性到韧性转变的传统认知。深入研究了样品尺寸大小、拉/压应力状态、变形速率、变形温度对金属玻璃发生从局域变形模式到非局域变形模式的转变的影响，揭示金属玻璃薄膜材料室温下呈现出超大弹性应变极限的原子机理、剪切带原子结构和变形行为。 2100433B