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中國科學院金屬研究所
【中國科學報】材料破壞規(guī)律的探索者——金屬玻璃斷裂規(guī)律研究10年回顧
材料新視野
2013年12月11日
本報記者 沈春蕾
現(xiàn)代航空、航天飛行器制造，往往會使用上百種材料制作各種不同用途的零構(gòu)件，如果有一個關鍵部位的承載零構(gòu)件出現(xiàn)失效，災難性事故隨將之而來。材料的破壞，關系到國民經(jīng)濟與人民生命財產(chǎn)等諸多方面。
中國科學院金屬研究所副所長、研究員張哲峰從2003年開始了金屬玻璃斷裂規(guī)律的10年探索，其研究成果有望為揭示世間眾多材料的共性破壞規(guī)律打開一扇門。
金屬玻璃的優(yōu)劣性
金屬玻璃又叫液態(tài)金屬或非晶態(tài)合金。玻璃是任何能從液體冷卻成固體而無結(jié)晶的材料，而大多數(shù)金屬材料是晶體材料，其原子排列呈現(xiàn)周期性規(guī)律。從液體冷卻時，金屬晶體材料會結(jié)晶，而金屬玻璃卻像玻璃一樣不發(fā)生結(jié)晶，原子排列如同凍結(jié)的金屬液體一般呈現(xiàn)無序排列。
“一般金屬晶體材料中總會存在缺陷，如位錯。缺陷的存在使金屬晶體的強度遠小于完美晶體的理論強度?！睆堈芊鍒F隊成員屈瑞濤博士在接受《中國科學報》記者采訪時說。
金屬玻璃因內(nèi)部無位錯等晶體缺陷的原子結(jié)構(gòu)，決定其擁有很多晶態(tài)金屬無法比擬的優(yōu)越性，比如非常高的強度（或硬度）?？茖W實驗表明，1根直徑2毫米的超強金屬玻璃能支撐起一輛質(zhì)量約1.5噸的小汽車，使用相同直徑的鋼筋大約需要7～10根。
因此，金屬玻璃有作為結(jié)構(gòu)材料使用的潛力，目前的主要問題是多數(shù)金屬玻璃塑性變形能力比較差。張哲峰的研究方向是材料的疲勞與斷裂，主要目標是提出或發(fā)展新的材料破壞準則、模型與理論，為解決工程材料的破壞問題提供理論支持與指導。
經(jīng)典理論無法解釋
“金屬玻璃是材料家族中重要的一員。我剛一接觸這一材料體系時便有很大興趣，從2002年開始進行各種力學性能試驗，發(fā)現(xiàn)了一些有意思的現(xiàn)象，進而開始考慮如何予以解釋?！睆堈芊甯嬖V記者。 金屬玻璃在拉伸或壓縮這樣的單向加載時，斷裂均為剪切斷裂，斷裂發(fā)生的面為平坦的斜面，如同剪刀剪斷一個細棒的切口，斷裂面與加載方向成一定角度，叫剪切角。在單向加載時，具有最大剪切應力的面與加載軸呈45度。
2003年，張哲峰研究發(fā)現(xiàn)，金屬玻璃在拉伸與壓縮時剪切角都偏離了45度，拉伸時比45度大，壓縮時比45度小。這一奇妙的現(xiàn)象暗示著金屬玻璃的剪切斷裂除了切應力的驅(qū)動之外，似乎還受到正應力的影響。
隨后，張哲峰尋找了大量不同金屬玻璃的斷裂數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)都有同樣的規(guī)律，即拉伸與壓縮斷裂角不同且都偏離45度，這說明正應力對斷裂的影響是金屬玻璃的本質(zhì)規(guī)律。
找到實驗規(guī)律之后，如何從理論上對其解釋是科學研究的重要一環(huán)。為此，張哲峰首先考慮了傳統(tǒng)的經(jīng)典斷裂準則：莫爾－庫侖準則。張哲峰用其來解釋金屬玻璃的斷裂規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，雖然該準則可以定性解釋其宏觀斷裂規(guī)律，但在定量上卻與實驗結(jié)果偏離很大。
在經(jīng)典理論無法解釋的時候，往往是理論創(chuàng)新開始的時候。對金屬玻璃斷裂規(guī)律的探索工作，帶給張哲峰很大的啟發(fā)。結(jié)合他以前做過的金屬晶體中的滑移問題、陶瓷的脆性斷裂問題以及金屬玻璃的剪切斷裂問題，張哲峰思考：針對不同類型材料人們提出了完全不同的斷裂準則，是否能夠找到一個共性的理論或模型將這些解釋不同材料的斷裂準則統(tǒng)一起來？
提出新的斷裂理論
2005年，張哲峰對材料斷裂規(guī)律的研究迎來重要的轉(zhuǎn)機。他同時考慮剪切面上正應力和切應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)一拉伸斷裂準則——橢圓準則。
該準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。
“自此之后，擺在我們面前的問題是，如何定量地證明這一準則對斷裂行為預測的正確性?！睆堈芊灞硎?。由于橢圓準則描述的是斷裂面上的正應力對斷裂強度的影響，因此需要設計實驗以獲得一系列不同的斷裂應力狀態(tài)，使得斷裂面上的正應力在一個較寬的范圍內(nèi)變化。
為此，張哲峰與屈瑞濤創(chuàng)新性地設計了一系列與加載軸呈不同方向的傾斜缺口拉伸試樣。通過實驗，他們發(fā)現(xiàn)橢圓準則比傳統(tǒng)的莫爾－庫倫準則更加精確有效地預測了金屬玻璃在拉伸型應力狀態(tài)下的斷裂行為。
在實際的工程應用中，除了拉伸型應力狀態(tài)，還存在其他的應力狀態(tài)，如壓縮。前面提到金屬玻璃在拉伸與壓縮下的斷裂角度不同，其實斷裂強度也不盡相同。張哲峰團隊發(fā)現(xiàn)許多金屬玻璃的拉伸強度往往小于壓縮強度，而一般傳統(tǒng)的金屬晶體材料的拉伸與壓縮強度相等。
既然橢圓準則很好地解釋了金屬玻璃在拉伸型應力狀態(tài)下的斷裂行為，那么如何統(tǒng)一地預測各種應力狀態(tài)下的斷裂行為呢？
最近，通過對大量斷裂數(shù)據(jù)的分析與斷裂機制的思考，張哲峰與屈瑞濤進一步發(fā)展了橢圓準則，提出了一種能描述復雜應力條件下斷裂行為的普適性斷裂準則。在該準則基礎上的進一步研究，能為深入理解與研究高強度材料的斷裂規(guī)律和在復雜應力條件下安全設計與可靠性提供了新的理論判據(jù)。
張哲峰表示，未來科技的發(fā)展對高強度先進結(jié)構(gòu)材料會有極大的應用需求，我們從斷裂機制出發(fā)并結(jié)合力學分析提出的新理論，將為高強度材料在應用時的安全可靠性設計提供指導。
“10年的思考與探索，陸續(xù)提出了一些新的準則與機制，不斷深入對材料破壞行為與本質(zhì)的理解，這個過程雖然很漫長和辛苦，但是也深刻體會到科研的樂趣?！睆堈芊逭f。
文章來源：《中國科學報》 (2013-08-20 第5版 創(chuàng)新周刊)
現(xiàn)代航空、航天飛行器制造，往往會使用上百種材料制作各種不同用途的零構(gòu)件，如果有一個關鍵部位的承載零構(gòu)件出現(xiàn)失效，災難性事故隨將之而來。材料的破壞，關系到國民經(jīng)濟與人民生命財產(chǎn)等諸多方面。
中國科學院金屬研究所副所長、研究員張哲峰從2003年開始了金屬玻璃斷裂規(guī)律的10年探索，其研究成果有望為揭示世間眾多材料的共性破壞規(guī)律打開一扇門。
金屬玻璃的優(yōu)劣性
金屬玻璃又叫液態(tài)金屬或非晶態(tài)合金。玻璃是任何能從液體冷卻成固體而無結(jié)晶的材料，而大多數(shù)金屬材料是晶體材料，其原子排列呈現(xiàn)周期性規(guī)律。從液體冷卻時，金屬晶體材料會結(jié)晶，而金屬玻璃卻像玻璃一樣不發(fā)生結(jié)晶，原子排列如同凍結(jié)的金屬液體一般呈現(xiàn)無序排列。
“一般金屬晶體材料中總會存在缺陷，如位錯。缺陷的存在使金屬晶體的強度遠小于完美晶體的理論強度?！睆堈芊鍒F隊成員屈瑞濤博士在接受《中國科學報》記者采訪時說。
金屬玻璃因內(nèi)部無位錯等晶體缺陷的原子結(jié)構(gòu)，決定其擁有很多晶態(tài)金屬無法比擬的優(yōu)越性，比如非常高的強度（或硬度）?？茖W實驗表明，1根直徑2毫米的超強金屬玻璃能支撐起一輛質(zhì)量約1.5噸的小汽車，使用相同直徑的鋼筋大約需要7～10根。
因此，金屬玻璃有作為結(jié)構(gòu)材料使用的潛力，目前的主要問題是多數(shù)金屬玻璃塑性變形能力比較差。張哲峰的研究方向是材料的疲勞與斷裂，主要目標是提出或發(fā)展新的材料破壞準則、模型與理論，為解決工程材料的破壞問題提供理論支持與指導。
經(jīng)典理論無法解釋
“金屬玻璃是材料家族中重要的一員。我剛一接觸這一材料體系時便有很大興趣，從2002年開始進行各種力學性能試驗，發(fā)現(xiàn)了一些有意思的現(xiàn)象，進而開始考慮如何予以解釋?！睆堈芊甯嬖V記者。 金屬玻璃在拉伸或壓縮這樣的單向加載時，斷裂均為剪切斷裂，斷裂發(fā)生的面為平坦的斜面，如同剪刀剪斷一個細棒的切口，斷裂面與加載方向成一定角度，叫剪切角。在單向加載時，具有最大剪切應力的面與加載軸呈45度。
2003年，張哲峰研究發(fā)現(xiàn)，金屬玻璃在拉伸與壓縮時剪切角都偏離了45度，拉伸時比45度大，壓縮時比45度小。這一奇妙的現(xiàn)象暗示著金屬玻璃的剪切斷裂除了切應力的驅(qū)動之外，似乎還受到正應力的影響。
隨后，張哲峰尋找了大量不同金屬玻璃的斷裂數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)都有同樣的規(guī)律，即拉伸與壓縮斷裂角不同且都偏離45度，這說明正應力對斷裂的影響是金屬玻璃的本質(zhì)規(guī)律。
找到實驗規(guī)律之后，如何從理論上對其解釋是科學研究的重要一環(huán)。為此，張哲峰首先考慮了傳統(tǒng)的經(jīng)典斷裂準則：莫爾－庫侖準則。張哲峰用其來解釋金屬玻璃的斷裂規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，雖然該準則可以定性解釋其宏觀斷裂規(guī)律，但在定量上卻與實驗結(jié)果偏離很大。
在經(jīng)典理論無法解釋的時候，往往是理論創(chuàng)新開始的時候。對金屬玻璃斷裂規(guī)律的探索工作，帶給張哲峰很大的啟發(fā)。結(jié)合他以前做過的金屬晶體中的滑移問題、陶瓷的脆性斷裂問題以及金屬玻璃的剪切斷裂問題，張哲峰思考：針對不同類型材料人們提出了完全不同的斷裂準則，是否能夠找到一個共性的理論或模型將這些解釋不同材料的斷裂準則統(tǒng)一起來？
提出新的斷裂理論
2005年，張哲峰對材料斷裂規(guī)律的研究迎來重要的轉(zhuǎn)機。他同時考慮剪切面上正應力和切應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)一拉伸斷裂準則——橢圓準則。
該準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。
“自此之后，擺在我們面前的問題是，如何定量地證明這一準則對斷裂行為預測的正確性?！睆堈芊灞硎?。由于橢圓準則描述的是斷裂面上的正應力對斷裂強度的影響，因此需要設計實驗以獲得一系列不同的斷裂應力狀態(tài)，使得斷裂面上的正應力在一個較寬的范圍內(nèi)變化。
為此，張哲峰與屈瑞濤創(chuàng)新性地設計了一系列與加載軸呈不同方向的傾斜缺口拉伸試樣。通過實驗，他們發(fā)現(xiàn)橢圓準則比傳統(tǒng)的莫爾－庫倫準則更加精確有效地預測了金屬玻璃在拉伸型應力狀態(tài)下的斷裂行為。
在實際的工程應用中，除了拉伸型應力狀態(tài)，還存在其他的應力狀態(tài)，如壓縮。前面提到金屬玻璃在拉伸與壓縮下的斷裂角度不同，其實斷裂強度也不盡相同。張哲峰團隊發(fā)現(xiàn)許多金屬玻璃的拉伸強度往往小于壓縮強度，而一般傳統(tǒng)的金屬晶體材料的拉伸與壓縮強度相等。
既然橢圓準則很好地解釋了金屬玻璃在拉伸型應力狀態(tài)下的斷裂行為，那么如何統(tǒng)一地預測各種應力狀態(tài)下的斷裂行為呢？
最近，通過對大量斷裂數(shù)據(jù)的分析與斷裂機制的思考，張哲峰與屈瑞濤進一步發(fā)展了橢圓準則，提出了一種能描述復雜應力條件下斷裂行為的普適性斷裂準則。在該準則基礎上的進一步研究，能為深入理解與研究高強度材料的斷裂規(guī)律和在復雜應力條件下安全設計與可靠性提供了新的理論判據(jù)。
張哲峰表示，未來科技的發(fā)展對高強度先進結(jié)構(gòu)材料會有極大的應用需求，我們從斷裂機制出發(fā)并結(jié)合力學分析提出的新理論，將為高強度材料在應用時的安全可靠性設計提供指導。
“10年的思考與探索，陸續(xù)提出了一些新的準則與機制，不斷深入對材料破壞行為與本質(zhì)的理解，這個過程雖然很漫長和辛苦，但是也深刻體會到科研的樂趣?！睆堈芊逭f。
文章來源：《中國科學報》 (2013-08-20 第5版 創(chuàng)新周刊)