高强度材料低温/高速缺口拉伸变形与断裂机制研究

High-strength materials are of vital importance for the development of advanced manufacturing industry. However, high-strength materials usually exhibit low toughness and high notch sensitivity, and are also apt to initiate crack at stress concentrators, resulting in disastrous brittle fracture. To prevent the brittle fracture of key components, it is urgent to confirm the critical conditions for ductile-to-brittle transition and to establish the effective fracture criterion at low temperatures or high strain rates. In this project, Zr-based metallic glasses with different toughness levels and high-strength AISI 4340 steels with different strength levels will be employed as model materials. In situ or quasi in situ mechanical testing under scanning electron microscopy or 3D X-ray tomography device, combined with finite element simulation, will be conducted to study the deformation, damage and fracture mechanisms of various high-strength materials under notch tension at different temperatures or strain rates. The relations between normal fracture strength and temperature/strain rate will be revealed, and the prediction model for the ductile-to-brittle transition of high-strength materials will be established. Finally, based on the ellipse criterion, the fracture criterion for high-strength materials under low temperatures and/or high strain rates will be developed and experimentally verified. The results of this project will provide theoretical guide for the safety design and reliable service of key engineering components made of high-strength materials.

高强度材料是先进制造业发展的重要支撑。然而，高强度材料往往韧性较差，缺口敏感性高，易于在低温/高速加载条件下于应力集中处萌生裂纹而引起灾难性的脆性断裂。为预防关键构件的脆性断裂，迫切需要确定高强度材料在低温/高速加载时的韧脆转变条件并建立有效的断裂准则。本项目拟以不同韧性水平的锆基非晶合金和不同强度水平的AISI 4340高强钢为研究对象，运用扫描电镜及三维X射线成像原位/准原位力学实验技术，结合有限元模拟方法，研究不同高强度材料在不同温度/应变速率下的缺口拉伸变形损伤与断裂机制，揭示材料的正断强度随温度/应变速率的变化规律，建立高强度材料的韧脆转变预测模型；基于椭圆准则，建立并实验验证适用于高强度材料在低温/高速加载条件下的断裂准则，为高强度材料关键构件的安全性设计和服役可靠性提供理论依据。

现代工业发展对高强度材料的需求日益增加。然而，高强度材料通常韧性较差，易于发生灾难性的脆性断裂，特别是在低温/高速等极端加载条件下。为保障高强度材料的安全使用，本项目提出一方面研究其断裂机理，理解剪切与正断之间竞争关系，揭示韧脆转变机制，指导韧化设计；另一方面发展断裂准则与失效模型，预测断裂条件。为此，本项目以不同韧性水平非晶合金与不同强度水平高强钢为研究对象，系统地研究了断裂机理、韧脆转变及断裂准则等方面问题，取得了一系列重要研究成果。.1. 研究了高强脆性非晶合金的宏/微观变形断裂机理和尺寸效应，揭示了压缩破碎断裂的劈裂本质，建立了脆性非晶合金的韧脆转变模型，提出了复合材料防脆断设计准则；发现在微米尺度断裂韧性随样品尺寸减小而降低及脆性材料对缺陷不敏感的反常现象。.2. 研究了韧性非晶合金在不同条件下的变形断裂机制，发现了剪切带“冷”断裂模式，建立了剪切带扩展能量耗散模型；建立了非晶合金变形图，揭示了正应力对变形方式转变的作用；获得了正断强度随温度的变化关系，建立了非晶合金的低温断裂准则；提出了改善非晶合金力学性能的缺陷工程策略；基于统一断裂准则，建立了高强度材料的失效面；发展了非晶合金从成分预测性能的方法。.3. 研究了高强钢在不同速率加载下的变形断裂行为，揭示了裂纹扩展机理；首次提出与样品厚度无关的材料本征冲击韧性；提出了预测金属材料抗穿甲最佳微观组织状态的方法，为高速工程构件提供了选材依据。.本项目研究结果在Acta Mater.（3篇）、J. Mater. Sci. Technol.、J. Mech. Phys. Solids、Scripta Mater.、Sci. China Mater.等材料领域知名期刊上发表论文18篇（其中：JCR Q1区期刊论文13篇，项目负责人为第一作者和通讯作者论文14篇）；申请或授权发明专利3项；作国际会议口头报告3次，国内会议邀请报告2次；培养毕业博士研究生2名。