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材料破坏规律的探索者

信息来源:glasseasy.com  时间:2013-08-20  浏览次数:179864567

    现代航空、航天飞行器制造,往往会使用上百种材料制作各种不同用途的零构件,如果有一个关键部位的承载零构件出现失效,灾难性事故随将之而来。材料的破坏,关系到国民经济与人民生命财产等诸多方面。
    中国科学院金属研究所副所长、研究员张哲峰从2003年开始了金属玻璃断裂规律的10年探索,其研究成果有望为揭示世间众多材料的共性破坏规律打开一扇门。
    金属玻璃的优劣性
    金属玻璃又叫液态金属或非晶态合金。玻璃是任何能从液体冷却成固体而无结晶的材料,而大多数金属材料是晶体材料,其原子排列呈现周期性规律。从液体冷却时,金属晶体材料会结晶,而金属玻璃却像玻璃一样不发生结晶,原子排列如同冻结的金属液体一般呈现无序排列。
    “一般金属晶体材料中总会存在缺陷,如位错。缺陷的存在使金属晶体的强度远小于完美晶体的理论强度。”张哲峰团队成员屈瑞涛博士在接受《中国科学报》记者采访时说。
    金属玻璃因内部无位错等晶体缺陷的原子结构,决定其拥有很多晶态金属无法比拟的优越性,比如非常高的强度(或硬度)。科学实验表明,1根直径2毫米的超强金属玻璃能支撑起一辆质量约1.5吨的小汽车,使用相同直径的钢筋大约需要7~10根。
    因此,金属玻璃有作为结构材料使用的潜力,目前的主要问题是多数金属玻璃塑性变形能力比较差。张哲峰的研究方向是材料的疲劳与断裂,主要目标是提出或发展新的材料破坏准则、模型与理论,为解决工程材料的破坏问题提供理论支持与指导。
    经典理论无法解释
    “金属玻璃是材料家族中重要的一员。我刚一接触这一材料体系时便有很大兴趣,从2002年开始进行各种力学性能试验,发现了一些有意思的现象,进而开始考虑如何予以解释。”张哲峰告诉记者。 金属玻璃在拉伸或压缩这样的单向加载时,断裂均为剪切断裂,断裂发生的面为平坦的斜面,如同剪刀剪断一个细棒的切口,断裂面与加载方向成一定角度,叫剪切角。在单向加载时,具有最大剪切应力的面与加载轴呈45度。
    2003年,张哲峰研究发现,金属玻璃在拉伸与压缩时剪切角都偏离了45度,拉伸时比45度大,压缩时比45度小。这一奇妙的现象暗示着金属玻璃的剪切断裂除了切应力的驱动之外,似乎还受到正应力的影响。
    随后,张哲峰寻找了大量不同金属玻璃的断裂数据,发现都有同样的规律,即拉伸与压缩断裂角不同且都偏离45度,这说明正应力对断裂的影响是金属玻璃的本质规律。
    找到实验规律之后,如何从理论上对其解释是科学研究的重要一环。为此,张哲峰首先考虑了传统的经典断裂准则:莫尔-库仑准则。张哲峰用其来解释金属玻璃的断裂规律时发现,虽然该准则可以定性解释其宏观断裂规律,但在定量上却与实验结果偏离很大。
    在经典理论无法解释的时候,往往是理论创新开始的时候。对金属玻璃断裂规律的探索工作,带给张哲峰很大的启发。结合他以前做过的金属晶体中的滑移问题、陶瓷的脆性断裂问题以及金属玻璃的剪切断裂问题,张哲峰思考:针对不同类型材料人们提出了完全不同的断裂准则,是否能够找到一个共性的理论或模型将这些解释不同材料的断裂准则统一起来?
    提出新的断裂理论
    2005年,张哲峰对材料断裂规律的研究迎来重要的转机。他同时考虑剪切面上正应力和切应力对材料断裂的影响,并结合不同材料的性质,提出了新的统一拉伸断裂准则——椭圆准则。
    该准则不仅可以定量地描述各种金属玻璃材料拉伸断裂行为以及剪切与拉伸正断的转变,还从一个新的角度揭示了不同类型金属材料的强度差别与剪切变形机制。
    “自此之后,摆在我们面前的问题是,如何定量地证明这一准则对断裂行为预测的正确性。”张哲峰表示。由于椭圆准则描述的是断裂面上的正应力对断裂强度的影响,因此需要设计实验以获得一系列不同的断裂应力状态,使得断裂面上的正应力在一个较宽的范围内变化。
    为此,张哲峰与屈瑞涛创新性地设计了一系列与加载轴呈不同方向的倾斜缺口拉伸试样。通过实验,他们发现椭圆准则比传统的莫尔-库伦准则更加精确有效地预测了金属玻璃在拉伸型应力状态下的断裂行为。
    在实际的工程应用中,除了拉伸型应力状态,还存在其他的应力状态,如压缩。前面提到金属玻璃在拉伸与压缩下的断裂角度不同,其实断裂强度也不尽相同。张哲峰团队发现许多金属玻璃的拉伸强度往往小于压缩强度,而一般传统的金属晶体材料的拉伸与压缩强度相等。
    既然椭圆准则很好地解释了金属玻璃在拉伸型应力状态下的断裂行为,那么如何统一地预测各种应力状态下的断裂行为呢?
    最近,通过对大量断裂数据的分析与断裂机制的思考,张哲峰与屈瑞涛进一步发展了椭圆准则,提出了一种能描述复杂应力条件下断裂行为的普适性断裂准则。在该准则基础上的进一步研究,能为深入理解与研究高强度材料的断裂规律和在复杂应力条件下安全设计与可靠性提供了新的理论判据。
    张哲峰表示,未来科技的发展对高强度先进结构材料会有极大的应用需求,我们从断裂机制出发并结合力学分析提出的新理论,将为高强度材料在应用时的安全可靠性设计提供指导。
    “10年的思考与探索,陆续提出了一些新的准则与机制,不断深入对材料破坏行为与本质的理解,这个过程虽然很漫长和辛苦,但是也深刻体会到科研的乐趣。
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