關(guān)于作者
中國科學(xué)院金屬研究所
金屬玻璃斷裂規(guī)律研究：十年探索回顧
材料新視野
2014年04月15日
1638年，伽利略在其名著《兩門新科學(xué)》中首次對材料破壞需要滿足的應(yīng)力條件進行了討論，并提出了著名的最大正應(yīng)力準(zhǔn)則。自此之后，新的材料屈服與斷裂準(zhǔn)則不斷被提出，其中最著名的有屈特加準(zhǔn)則（1864年提出，或稱為最大切應(yīng)力準(zhǔn)則）、范 米塞斯準(zhǔn)則（1913年）及莫爾-庫侖準(zhǔn)則（1773年，1900年）等。20世紀(jì)60年代，人們成功地制備出金屬玻璃條帶，隨后在80年代末制備出塊體金屬玻璃材料。金屬玻璃具有極高的屈服強度和斷裂強度（可達~5 GPa），自其問世以來便引起了人們的廣泛關(guān)注。對金屬玻璃斷裂規(guī)律的探索，特別是對其斷裂行為與應(yīng)力條件關(guān)系的研究一直是金屬玻璃領(lǐng)域研究的重要問題。
室溫下，金屬玻璃的拉伸與壓縮斷裂常常表現(xiàn)為脆性的剪切斷裂。最初，人們發(fā)現(xiàn)這種剪切斷裂主要沿最大切應(yīng)力面（與加載軸成45 ）發(fā)生，這表明剪切面上正應(yīng)力對金屬玻璃的斷裂行為無影響，因此可用屈特加準(zhǔn)則描述其斷裂行為。1989年，英國劍橋大學(xué)Donovan博士的研究表明Pd基金屬玻璃的壓縮剪切斷裂角為42 ，據(jù)此提出其斷裂行為應(yīng)遵循能反映正應(yīng)力作用的莫爾-庫侖準(zhǔn)則。1998年，美國橡樹嶺國家實驗室劉錦川教授通過對Zr基金屬玻璃的拉伸和壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)拉伸剪切斷裂角為53 -60 ，而壓縮剪切斷裂角仍為45 ，這表明正應(yīng)力只影響金屬玻璃的拉伸斷裂行為，而不影響壓縮斷裂行為。因此，金屬玻璃斷裂準(zhǔn)則問題的研究首先需要澄清剪切面上正應(yīng)力是否影響其剪切斷裂行為。
2002年正在德國做洪堡學(xué)者的張哲峰博士對這一重要問題產(chǎn)生了濃厚興趣，他設(shè)計了同一成分Zr基金屬玻璃樣品，并進行了拉伸和壓縮對比實驗，發(fā)現(xiàn)該Zr基金屬玻璃的壓縮剪切斷裂角為43 ，而拉伸剪切斷裂角為54 ，并且壓縮強度略大于拉伸強度。結(jié)合拉伸與壓縮剪切斷裂表面形貌的明顯差別，張哲峰博士明確提出：剪切面上拉伸正應(yīng)力對金屬玻璃剪切斷裂起促進作用，而壓縮正應(yīng)力對剪切斷裂起抑制作用，這樣就合理地解釋了金屬玻璃拉伸與壓縮強度的不對稱性、剪切斷裂角的不一致性和斷裂表面形貌的差別，這從實驗上首次明確了剪切面上正應(yīng)力對金屬玻璃拉伸與壓縮剪切斷裂行為都具有重要影響，該研究結(jié)果發(fā)表在Acta Mater. 51 (2003) 1167-1179上。在此基礎(chǔ)上，他進一步研究和總結(jié)了Zr、Cu、Ni、Fe、Pd、Co和Ti基等不同金屬玻璃及其復(fù)合材料的斷裂規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)單相金屬玻璃的壓縮剪切斷裂角略小于45 ，而陶瓷粒子、納米晶或枝晶增強金屬玻璃復(fù)合材料的壓縮剪切斷裂角遠(yuǎn)小于45 ；在拉伸載荷作用下，剪切斷裂角通常為50 -65 ，或者發(fā)生拉伸正斷，這進一步證實了剪切面上正應(yīng)力對金屬玻璃等高強度材料剪切斷裂規(guī)律的重要作用，此項研究結(jié)果發(fā)表在Phys. Rev. Lett., 91 (2003) 045505。這些結(jié)果發(fā)表后得到了國際同行的廣泛關(guān)注，至今兩篇論文已被引用560余次。此后，世界各國研究者對更多成分金屬玻璃材料的研究結(jié)果證實了剪切面上正應(yīng)力對其斷裂行為影響的普遍性。
至此，剪切面上正應(yīng)力對剪切變形和斷裂的重要影響已經(jīng)澄清，但是如何描述這一正應(yīng)力效應(yīng)仍然存在分歧。一種方法是采用傳統(tǒng)的莫爾-庫侖準(zhǔn)則來半定量地對正應(yīng)力的影響進行描述，該準(zhǔn)則也是目前國際上對金屬玻璃斷裂研究使用較多的準(zhǔn)則。如果定量地比較金屬玻璃的拉伸與壓縮強度及剪切斷裂角的差別，就會發(fā)現(xiàn)一方面采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則所預(yù)測的拉伸/壓縮強度不對稱性過大；另一方面該準(zhǔn)則預(yù)測的拉伸/壓縮剪切斷裂角度之和恒為90 ，這些都與實驗事實明顯不符。2005年，張哲峰研究員同時考慮剪切面上正應(yīng)力和切應(yīng)力對材料斷裂的影響，并結(jié)合不同材料的性質(zhì)，提出了新的統(tǒng)一拉伸斷裂準(zhǔn)則——橢圓準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則不僅可以定量地描述各種金屬玻璃材料拉伸斷裂行為以及剪切與拉伸正斷的轉(zhuǎn)變，還從一個新的角度揭示了不同類型金屬材料的強度差別與剪切變形機制。此外，該準(zhǔn)則通過提出的新參數(shù) ——斷裂方式因子的變化，將上述四個經(jīng)典斷裂與強度準(zhǔn)則（最大正應(yīng)力準(zhǔn)則、屈特加準(zhǔn)則、范 米塞斯準(zhǔn)則和莫爾-庫侖準(zhǔn)則）有機地統(tǒng)一起來，這為材料的強度與斷裂理論家族提供了新的判據(jù)。此項研究結(jié)果發(fā)表在Phys. Rev. Lett., 94 (2005) 094301。
2010年，張哲峰研究員與其博士研究生屈瑞濤在Zr基金屬玻璃拉伸試樣中引入了一系列不同角度傾斜缺口，控制剪切斷裂沿不同角度面發(fā)生，在斷裂瞬間不同剪切面具有不同的正應(yīng)力與切應(yīng)力組合，系統(tǒng)地研究了正應(yīng)力對拉伸斷裂行為的影響。基于對多種金屬玻璃拉伸強度數(shù)據(jù)和斷裂行為的理論分析，他們發(fā)現(xiàn)：相對于莫爾-庫侖準(zhǔn)則，橢圓準(zhǔn)則能更加精確地定量描述正應(yīng)力對金屬玻璃拉伸強度與斷裂行為的作用，也能合理地解釋前人在研究中所觀察到的各種金屬玻璃材料的拉伸斷裂行為。該研究結(jié)果從實驗上確定了橢圓準(zhǔn)則的有效性，并證實橢圓準(zhǔn)則可以作為金屬玻璃材料的本征拉伸斷裂準(zhǔn)則。此項研究結(jié)果發(fā)表在J. Appl. Phys. 109 (2011) 083544。
金屬玻璃在拉伸載荷下的斷裂行為可用橢圓準(zhǔn)則進行很好地預(yù)測，那么其壓縮斷裂行為該如何描述？在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂行為又該如何預(yù)測？最近，張哲峰研究員與屈瑞濤博士考察了大量金屬玻璃材料的拉伸、壓縮以及純剪切斷裂行為，提出金屬玻璃材料斷裂的三個重要事實：(I) 拉伸與壓縮斷裂強度存在一定的不對稱性；(II) 拉伸與壓縮斷裂角均偏離45 ；(III) 純剪切時斷裂沿最大切應(yīng)力面發(fā)生。基于這些實驗事實，并同時考慮材料本征性能與外部實驗條件對斷裂行為的影響，他們提出了一種能描述復(fù)雜應(yīng)力條件下斷裂行為的普適性斷裂準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則認(rèn)為金屬玻璃剪切面上正應(yīng)力在拉伸與壓縮兩種類型的加載條件下作用機制不同：拉伸正應(yīng)力對剪切變形和斷裂的影響比壓縮正應(yīng)力的影響更加強烈，這不僅符合宏觀斷裂的實驗事實，也與微觀剪切變形機制相一致。該普適性斷裂準(zhǔn)則不但繼承了橢圓準(zhǔn)則的統(tǒng)一性特點，具有明確的物理內(nèi)涵，并且在數(shù)學(xué)上具有光滑連續(xù)性，便于作為失效判據(jù)在結(jié)構(gòu)安全設(shè)計中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，他們通過進一步分析近年來發(fā)展的金屬超細(xì)晶/納米晶材料、金屬玻璃及先進陶瓷等高強度材料的拉伸、壓縮斷裂行為，發(fā)現(xiàn)該普適性斷裂準(zhǔn)則還可對上述多種高強度材料的拉伸、壓縮斷裂行為（如強度不對稱性、斷裂方式等）進行統(tǒng)一性描述，這為深入理解與研究高強度材料的斷裂規(guī)律和在復(fù)雜應(yīng)力條件下安全設(shè)計與可靠性提供了新的理論判據(jù)。該研究結(jié)果于2013年1月23日在Scientific Reports 在線發(fā)表。
金屬玻璃作為一類新型材料具有與晶體材料不同的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為，通過對其變形與斷裂機制的認(rèn)識，2003年提出了剪切面上正應(yīng)力對金屬玻璃拉伸與壓縮斷裂過程分別具有促進或抑制效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)這種正應(yīng)力效應(yīng)具有非線性特點，因此，2005年提出了統(tǒng)一拉伸斷裂準(zhǔn)則——橢圓準(zhǔn)則，這個斷裂準(zhǔn)則可以定量地描述各種金屬玻璃拉伸斷裂強度與剪切角之間的關(guān)系，并于2011年從實驗上驗證了橢圓準(zhǔn)則的有效性。經(jīng)過10年的思考與探索，對各種材料的強度與破壞規(guī)律有了更本質(zhì)的理解，最近提出了新的具有統(tǒng)一性與普適性的斷裂準(zhǔn)則，進一步揭示了金屬玻璃等高強度材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞規(guī)律。在過去十年研究過程中得到了多個重大項目的資助，這同時也得益于沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室多年來一直倡導(dǎo)集中精力進行學(xué)科關(guān)鍵問題的研究與探索，以及具有特殊性能新材料（金屬玻璃）的發(fā)現(xiàn)，使研究人員在斷裂與強度這一傳統(tǒng)學(xué)科方向上能夠不斷深入思考和取得進步。在金屬研究所成立60周年之際，祝愿金屬研究所的未來能夠不斷創(chuàng)造新的輝煌！
室溫下，金屬玻璃的拉伸與壓縮斷裂常常表現(xiàn)為脆性的剪切斷裂。最初，人們發(fā)現(xiàn)這種剪切斷裂主要沿最大切應(yīng)力面（與加載軸成45 ）發(fā)生，這表明剪切面上正應(yīng)力對金屬玻璃的斷裂行為無影響，因此可用屈特加準(zhǔn)則描述其斷裂行為。1989年，英國劍橋大學(xué)Donovan博士的研究表明Pd基金屬玻璃的壓縮剪切斷裂角為42 ，據(jù)此提出其斷裂行為應(yīng)遵循能反映正應(yīng)力作用的莫爾-庫侖準(zhǔn)則。1998年，美國橡樹嶺國家實驗室劉錦川教授通過對Zr基金屬玻璃的拉伸和壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)拉伸剪切斷裂角為53 -60 ，而壓縮剪切斷裂角仍為45 ，這表明正應(yīng)力只影響金屬玻璃的拉伸斷裂行為，而不影響壓縮斷裂行為。因此，金屬玻璃斷裂準(zhǔn)則問題的研究首先需要澄清剪切面上正應(yīng)力是否影響其剪切斷裂行為。
2002年正在德國做洪堡學(xué)者的張哲峰博士對這一重要問題產(chǎn)生了濃厚興趣，他設(shè)計了同一成分Zr基金屬玻璃樣品，并進行了拉伸和壓縮對比實驗，發(fā)現(xiàn)該Zr基金屬玻璃的壓縮剪切斷裂角為43 ，而拉伸剪切斷裂角為54 ，并且壓縮強度略大于拉伸強度。結(jié)合拉伸與壓縮剪切斷裂表面形貌的明顯差別，張哲峰博士明確提出：剪切面上拉伸正應(yīng)力對金屬玻璃剪切斷裂起促進作用，而壓縮正應(yīng)力對剪切斷裂起抑制作用，這樣就合理地解釋了金屬玻璃拉伸與壓縮強度的不對稱性、剪切斷裂角的不一致性和斷裂表面形貌的差別，這從實驗上首次明確了剪切面上正應(yīng)力對金屬玻璃拉伸與壓縮剪切斷裂行為都具有重要影響，該研究結(jié)果發(fā)表在Acta Mater. 51 (2003) 1167-1179上。在此基礎(chǔ)上，他進一步研究和總結(jié)了Zr、Cu、Ni、Fe、Pd、Co和Ti基等不同金屬玻璃及其復(fù)合材料的斷裂規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)單相金屬玻璃的壓縮剪切斷裂角略小于45 ，而陶瓷粒子、納米晶或枝晶增強金屬玻璃復(fù)合材料的壓縮剪切斷裂角遠(yuǎn)小于45 ；在拉伸載荷作用下，剪切斷裂角通常為50 -65 ，或者發(fā)生拉伸正斷，這進一步證實了剪切面上正應(yīng)力對金屬玻璃等高強度材料剪切斷裂規(guī)律的重要作用，此項研究結(jié)果發(fā)表在Phys. Rev. Lett., 91 (2003) 045505。這些結(jié)果發(fā)表后得到了國際同行的廣泛關(guān)注，至今兩篇論文已被引用560余次。此后，世界各國研究者對更多成分金屬玻璃材料的研究結(jié)果證實了剪切面上正應(yīng)力對其斷裂行為影響的普遍性。
至此，剪切面上正應(yīng)力對剪切變形和斷裂的重要影響已經(jīng)澄清，但是如何描述這一正應(yīng)力效應(yīng)仍然存在分歧。一種方法是采用傳統(tǒng)的莫爾-庫侖準(zhǔn)則來半定量地對正應(yīng)力的影響進行描述，該準(zhǔn)則也是目前國際上對金屬玻璃斷裂研究使用較多的準(zhǔn)則。如果定量地比較金屬玻璃的拉伸與壓縮強度及剪切斷裂角的差別，就會發(fā)現(xiàn)一方面采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則所預(yù)測的拉伸/壓縮強度不對稱性過大；另一方面該準(zhǔn)則預(yù)測的拉伸/壓縮剪切斷裂角度之和恒為90 ，這些都與實驗事實明顯不符。2005年，張哲峰研究員同時考慮剪切面上正應(yīng)力和切應(yīng)力對材料斷裂的影響，并結(jié)合不同材料的性質(zhì)，提出了新的統(tǒng)一拉伸斷裂準(zhǔn)則——橢圓準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則不僅可以定量地描述各種金屬玻璃材料拉伸斷裂行為以及剪切與拉伸正斷的轉(zhuǎn)變，還從一個新的角度揭示了不同類型金屬材料的強度差別與剪切變形機制。此外，該準(zhǔn)則通過提出的新參數(shù) ——斷裂方式因子的變化，將上述四個經(jīng)典斷裂與強度準(zhǔn)則（最大正應(yīng)力準(zhǔn)則、屈特加準(zhǔn)則、范 米塞斯準(zhǔn)則和莫爾-庫侖準(zhǔn)則）有機地統(tǒng)一起來，這為材料的強度與斷裂理論家族提供了新的判據(jù)。此項研究結(jié)果發(fā)表在Phys. Rev. Lett., 94 (2005) 094301。
2010年，張哲峰研究員與其博士研究生屈瑞濤在Zr基金屬玻璃拉伸試樣中引入了一系列不同角度傾斜缺口，控制剪切斷裂沿不同角度面發(fā)生，在斷裂瞬間不同剪切面具有不同的正應(yīng)力與切應(yīng)力組合，系統(tǒng)地研究了正應(yīng)力對拉伸斷裂行為的影響。基于對多種金屬玻璃拉伸強度數(shù)據(jù)和斷裂行為的理論分析，他們發(fā)現(xiàn)：相對于莫爾-庫侖準(zhǔn)則，橢圓準(zhǔn)則能更加精確地定量描述正應(yīng)力對金屬玻璃拉伸強度與斷裂行為的作用，也能合理地解釋前人在研究中所觀察到的各種金屬玻璃材料的拉伸斷裂行為。該研究結(jié)果從實驗上確定了橢圓準(zhǔn)則的有效性，并證實橢圓準(zhǔn)則可以作為金屬玻璃材料的本征拉伸斷裂準(zhǔn)則。此項研究結(jié)果發(fā)表在J. Appl. Phys. 109 (2011) 083544。
金屬玻璃在拉伸載荷下的斷裂行為可用橢圓準(zhǔn)則進行很好地預(yù)測，那么其壓縮斷裂行為該如何描述？在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂行為又該如何預(yù)測？最近，張哲峰研究員與屈瑞濤博士考察了大量金屬玻璃材料的拉伸、壓縮以及純剪切斷裂行為，提出金屬玻璃材料斷裂的三個重要事實：(I) 拉伸與壓縮斷裂強度存在一定的不對稱性；(II) 拉伸與壓縮斷裂角均偏離45 ；(III) 純剪切時斷裂沿最大切應(yīng)力面發(fā)生。基于這些實驗事實，并同時考慮材料本征性能與外部實驗條件對斷裂行為的影響，他們提出了一種能描述復(fù)雜應(yīng)力條件下斷裂行為的普適性斷裂準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則認(rèn)為金屬玻璃剪切面上正應(yīng)力在拉伸與壓縮兩種類型的加載條件下作用機制不同：拉伸正應(yīng)力對剪切變形和斷裂的影響比壓縮正應(yīng)力的影響更加強烈，這不僅符合宏觀斷裂的實驗事實，也與微觀剪切變形機制相一致。該普適性斷裂準(zhǔn)則不但繼承了橢圓準(zhǔn)則的統(tǒng)一性特點，具有明確的物理內(nèi)涵，并且在數(shù)學(xué)上具有光滑連續(xù)性，便于作為失效判據(jù)在結(jié)構(gòu)安全設(shè)計中的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，他們通過進一步分析近年來發(fā)展的金屬超細(xì)晶/納米晶材料、金屬玻璃及先進陶瓷等高強度材料的拉伸、壓縮斷裂行為，發(fā)現(xiàn)該普適性斷裂準(zhǔn)則還可對上述多種高強度材料的拉伸、壓縮斷裂行為（如強度不對稱性、斷裂方式等）進行統(tǒng)一性描述，這為深入理解與研究高強度材料的斷裂規(guī)律和在復(fù)雜應(yīng)力條件下安全設(shè)計與可靠性提供了新的理論判據(jù)。該研究結(jié)果于2013年1月23日在Scientific Reports 在線發(fā)表。
金屬玻璃作為一類新型材料具有與晶體材料不同的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為，通過對其變形與斷裂機制的認(rèn)識，2003年提出了剪切面上正應(yīng)力對金屬玻璃拉伸與壓縮斷裂過程分別具有促進或抑制效應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)這種正應(yīng)力效應(yīng)具有非線性特點，因此，2005年提出了統(tǒng)一拉伸斷裂準(zhǔn)則——橢圓準(zhǔn)則，這個斷裂準(zhǔn)則可以定量地描述各種金屬玻璃拉伸斷裂強度與剪切角之間的關(guān)系，并于2011年從實驗上驗證了橢圓準(zhǔn)則的有效性。經(jīng)過10年的思考與探索，對各種材料的強度與破壞規(guī)律有了更本質(zhì)的理解，最近提出了新的具有統(tǒng)一性與普適性的斷裂準(zhǔn)則，進一步揭示了金屬玻璃等高強度材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞規(guī)律。在過去十年研究過程中得到了多個重大項目的資助，這同時也得益于沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室多年來一直倡導(dǎo)集中精力進行學(xué)科關(guān)鍵問題的研究與探索，以及具有特殊性能新材料（金屬玻璃）的發(fā)現(xiàn)，使研究人員在斷裂與強度這一傳統(tǒng)學(xué)科方向上能夠不斷深入思考和取得進步。在金屬研究所成立60周年之際，祝愿金屬研究所的未來能夠不斷創(chuàng)造新的輝煌！