金属玻璃断裂韧性与机制的尺度相关性研究

Bulk metallic glasses (BMGs) have very high strength, high elasticity, high wear and corrosion resistance and so on, which endows them a wide application in military and civilian areas. However, BMGs in general display brittle-like fracture in macroscale, which limits their applications as structural materials. To solve this issue, a lot of researches on plastic deformation and fracture mechanism in metallic glasses have been carried out and important progresses have been made. But no existing theory can fully and precisely describe the relationship between fracture toughness, material parameters, specimen geometries and process conditions. On the other hand, experimentally decoupling the influencing factors such as specimen geometries and process conditions on fracture toughness test and studying behind fracture mechanisms are also challenging. Thus, we propose to adopt our newly developed thermoplastic forming method to fabricate high-quality samples, and aim to: 1) decouple the influencing factors in fracture toughness test and focus on geometry effects; 2) study the scale-dependent mechanism transition from plastic deformation to fracture instability ahead of a crack tip. We envision to build the relationship among toughness, material properties and geometries, which may be very helpful to develop new BMGs which resist fracture better, so as to promote the using of BMGs as a new engineering structural materials.

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。

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。