金属玻璃孔洞化现象的微观机制

Due to the unique disordered atomic structures, fracture of metallic glasses is usually induced by shear localization. But recent works indicated that cavitation instability is also an important intrinsic phenomenon during the fracture process. Under quasi-static or dynamic tensile loading, micro-voids are prone to nucleate, grow and coalesce in metallic glasses, leading to ductile fracture at microscopic scale. To reveal the mechanism, cavitation instability in a typical ductile metallic glass will be studied via molecular dynamics simulations in this work, with particular attention on the relationship between the origin of cavitation instability and microstructures of the material. Within the context of continuum mechanics, a theoretical description of void growth in metallic glasses will be presented, and the surface energy effects at microscopic scale and the thermal effects at mesoscopic scale during the void growth process will be discussed. In addition, the activation conditions of damages (cavities or shear bands) in metallic glasses under different loading conditions will be studied, to reveal the mechanism that controls the competition between cavitation instability and shear band instability. This research will help to understand the ductile fracture mechanism and the atomic structure characteristics in metallic glasses.

由于原子结构呈现长程无序的特点，金属玻璃的断裂往往是由局部化剪切带引发。但最新研究发现，孔洞化也是金属玻璃断裂过程中的一类重要本征现象。在准静态或动态拉伸载荷作用下，微孔洞极易在金属玻璃中成核、长大及连接，最终导致了微观尺度上的延性破坏。为了揭示金属玻璃中孔洞化现象的产生机制，本工作拟通过分子动力学模拟手段，研究典型韧性体系金属玻璃中的孔洞化行为，揭示孔洞化物理起源与金属玻璃中强、弱区微结构及原子团簇运动的关联。同时，在连续介质力学框架下建立孔洞长大的基本模型及控制方程，通过数值计算研究微观尺度下表面能效应以及细观尺度下热效应对孔洞长大动力学规律的影响。最后，在分子动力学模拟中通过改变载荷条件等方式，研究剪切带和孔洞化两类不同本征现象的激活条件，分析金属玻璃中两类现象相互竞争的微观机理。本项目研究将为认识金属玻璃的延性断裂机理、揭示其微观结构信息提供重要线索。

在准静态或动态拉伸载荷作用下，金属玻璃也可以通过类似于传统金属材料延性断裂模式（或孔洞化模式）失效，因而经历了微孔洞成核、长大及连接的过程。针对该断裂模式背后蕴含的机理，本文开展了如下工作：（1）建立研究金属玻璃孔洞化行为的分子动力学模拟模型；提出了一个优势多面体比例作为表征微结构演化规律的参数；发现了金属玻璃在中程尺度上本征缺陷：团簇间的空洞（cavity）以及中程序间的界面（MRO boundary）；揭示了孔洞成核过程与金属玻璃微结构及中程序之间的关联。（2）针对表面能效应和热效应对金属玻璃中微孔洞长大规律的影响，在连续介质力学框架下建立了基本模型及控制方程组，得到了考虑表面能情况下的孔洞失稳压力的解析表达式。通过数值分析，揭示表面能效应可抑制孔洞早期长大；热效应可在中期促进长大，后期提高自由体积湮灭速率从而抑制孔洞长大。（3）建立了拉伸转变区（TTZ）的清晰动力学模型，并得到其激活的临界体积；通过分子动力学模拟，揭示剪切应力占主导下，STZ激活同样容易在中程缺陷处激活；通过对STZ和TTZ激活特征时间尺度的比较，初步提出了一个类似于Debra数的无量纲数，表征STZ和TTZ的竞争关系。