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ag亚集团官方网站姚小虎教授团队唐晓畅博士等在固体力学顶级期刊发表研究成果
ag网站亚游登录: 2020-05-20

   2020519日,ag亚集团官方网站姚小虎教授研究组在固体力学顶级期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上在线发表论文“A cavitation and dynamic void growth model for a general class of strain-softening amorphous materials”。 论文第一编辑为唐晓畅博士, 通讯编辑为姚小虎教授和美国德州农工大学的Justin W. Wilkerson教授,合编辑为德州农工大学的Thao Nguyen博士。唐晓畅博士是ag亚集团官方网站工程力学创新班毕业学生,该研究成果体现了工程力学创新班本--博高层次复合型人才培养模式的优势。

金属玻璃是指将多组元的金属溶液快速过冷到玻璃转变温度以下形成的非晶态合金。超高的比强度、耐腐蚀性和耐磨性使得金属玻璃得以胜任航天器结构材料和坦克装甲防护层,在未来国防领域发挥重要作用。而坦克装甲在服役过程中承受弹片冲击时,应力波在内部反射后相互作用形成拉应力区,使材料内部发生动态拉伸破坏,也就是所谓的层裂。为满足装甲防护需求,有必要开展系统研究加深对金属玻璃的动态力学特性和损伤演化过程的理解。

图1 金属玻璃在平板撞击下的层裂面形貌

随冲击速度提升,断口形貌从韧窝联合型向杯锥结构型过渡,即“韧脆转变”。金属玻璃的层裂损伤演化过程有其特殊性,其层裂面上既有韧性材料典型的韧窝联合形貌,又可观察到脆性的剪切带。更为特殊的是其断裂面上独有的一种均匀分布的圆锥形貌,称之为杯锥结构(Cup-Cone)。

在之前的研究中,课题组已通过系统的实验研究,对金属玻璃在不同冲击压力下的层裂面形貌展开定量统计,获取了杯锥结构顶点间距、圆锥角、杯锥结构朝向等多种微细观尺度的损伤特征,并观察到杯锥结构尺寸和顶点成核间距都随冲击压力增大而减小的规律。研究结果与过去研究者所持观点不尽相同,认为不同冲击压力下层裂面形貌差异可能并非来源于成核源间的相互作用,而是来源于金属玻璃的应变软化行为,进而推测冲击压力/拉力足够使基体发生应变软化,是主导杯锥结构形成过程的一个重要原因。

而在此次工作中,课题组基于自由体积演化理论和动态孔洞扩展理论,构建了一套非晶塑性-动态孔洞扩展理论(APD理论)。该模型可用于描述剪切带和动态孔洞的扩展过程,进而在有限元计算模拟中实现对层裂面形貌转变过程的模拟。该模型使用自由体积理论描述非晶合金的塑性流动行为,同时使用材料强度近似函数作为沟通动态孔洞扩展理论的桥梁,进而考虑金属玻璃的初始自由体积软化效应和粘性效应对层裂强度的影响。

 

图2 a)理想塑性模型和应变软化模型预测所得压力-损伤度曲线;(b)不同应变率下,APD理论预测结果和DNS模拟结果

此前针对应变软化材料的孔洞演化研究极少,而且多指晶体材料应变硬化后的软化段,或者聚合物应变硬化前较短的软化段,尚未有针对金属玻璃单纯应变软化行为的研究。而本研究指出,金属玻璃中自由体积演化带来的应变软化效应将显著降低材料的层裂强度,并极大加速后续损伤演化过程。由图2a)可见,采用理想塑性模型预测所得层裂强度高达5 GPa,而考虑了应变软化效果后仅剩不到3 GPa。由此可见,在层裂损伤演化本构模型中考虑基体材料的应变软化行为的重要性。同时,研究采用直接数值模拟(DNS)检验APD理论的有效性。由图2b)可见,不同应变率下APDDNS模拟所得峰值应力都有较高吻合度。

该系列工作通过实验、模拟和理论相结合的方法,研究金属玻璃在动态冲击加载下的层裂损伤演化行为,为不同冲击压力下金属玻璃层裂面形貌的转变过程提供了系统认知:低速下应变软化程度不足,未能在初始成核源周围激活圆锥形剪切带,因此后续成核源依然沿垂直于冲击方向的平面分布,相应的层裂面形貌为韧窝主导。随冲击速度提升,自由体积演化愈发显著。终于在接近弹塑性极限(HEL)时,材料发生显著的应变软化行为,在初始成核源(杯锥结构顶点)处激活圆锥形剪切带,后续成核源继续沿此路径分布,并以孔洞形式成核、扩展、贯通、直至最终断裂,相应的层裂面开始出现“杯锥结构”。冲击压力超过 HEL 后杯锥结构开始主导层裂面形貌,并随冲击压力提升,呈现出杯锥结构尺寸和顶点间距逐渐减小的趋势。 

该研究由国家自然科学基金杰出青年基金(No. 11925203)、ag亚集团官方网站博士生创新基金(2018)和国家留学基金管理委员会资助。目前ag亚集团官方网站姚小虎教授研究团队与美国阿拉莫斯国家重点实验室、加州大学圣芭芭拉分校、普渡大学、南加州大学、德州农工大学联合开展多项研究工作,相关研究成果已在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《International Journal of Plasticity》、《Acta Materialia》、《Carbon》、《International Journal of Impact Engineering》等固体力学和材料领域顶级期刊上发表多篇论文。研究领域主要涉及非晶合金、高熵合金、碳化硅陶瓷、航空透明材料、聚合物软材料、碳纤维复合材料等在强动载下的变形、损伤和破坏机理。 

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104023


   
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