非晶合金室温变形中剪切带动态演化过程及机理的数值研究

The brittle fracture feature of the amorphous alloys at room temperature is the main restriction factor for its applications. Study on the dynamic evolution of shear banding in amorphous alloys can be helpful for the understanding of the deformation mechanism of amorphous alloys at room temperature. The yielding and plastic deformation of the amorphous alloys can be seemed as the glass transformation in the shear banding resulting from the stress. Thus, it is suitable to simulate the shear banding in amorphous alloys by using phase-field model. However, most present continuum models for amorphous alloys fail to capture the stress field around the tip of the shear banding or ignore the effect on the localized plastic deformation from the volumetric dilatation. The main aim of this project is to develop an effective numerical method to describe the dynamic evolution of shear banding in amorphous alloys during the room temperature deformation. According to the order parameter, the elastic, elastic-plastic and failure constitutive models will be considered in the model. The effect from the volumetric dilatation will also be realized through proper method according to the ellipse criterion on the fracture of bulk metallic glasses. Then, the novel partial differential equations shall be derived to describe the deformation and the structural evolution for the amorphous alloys at room temperature. The numerical model will be integrated with the adaptive meshing scheme to improve the computing efficiency and accuracy. The morphology and dynamic evolution of shear banding in amorphous alloys and the plastic mechanism of the amorphous alloys composites will be numerically studied by using the developed model. This study will be helpful for designing new amorphous alloys with super properties, and valuable for widening the application of amorphous alloys.

非晶合金的室温脆断是制约其应用的主要因素，对其室温形变过程中剪切带动态演化的研究将有助于对其微观变形机理的理解。非晶合金的屈服可看成是应力导致的发生在剪切带中的玻璃相转变，因此非晶合金室温变形中的剪切带动态演化可采用相场连续模型来研究。然而现有的连续模型多存在剪切带端部应力场分析不准确、体胀效应未考虑等不完善之处。本项目拟建立一种能有效描述非晶合金室温变形中剪切带动态演化的数值分析方法。在相场模型中根据序参量的不同范围分别定义弹性、弹塑性及破坏本构，根据非晶合金椭圆断裂准则选择合理方式分配体胀与剪胀效应对局部塑性流动的贡献，重新构建描述结构形变及演化的偏微分方程组。将自适应网格技术引入到数值求解过程，建立数值求解模型，对非晶合金室温变形剪切带动态演化过程及形态、非晶合金复合材料增塑机理等进行数值研究。本项目的研究对指导非晶合金材料增塑设计，拓宽其应用范围具有重要的价值。

非晶合金由于其高强度、高硬度、高弹性极限等优异性能而被认为是一种具有巨大应力潜力的新材料，然而其在室温下的破坏变现为脆性破坏，一旦形成剪切带或裂纹，将很快造成结构破坏，从而制约了非晶合金在结构件中的应用，因此，对非晶合金变形及破坏机理的研究有重要意义。.相场方法是从材料的微结构转化出发对材料的变形及破坏过程进行分析的有效方法。本项目旨在建立一套描述非晶合金室温变形的相场模型，并对非晶合金剪切带/裂纹萌生及扩展过程中的特征进行了分析，主要研究内容及成果如下：（1）改进了描述非晶合金室温变形的相场数值模型，考虑了非晶合金变形过程中的原子结构特征，将结构的体胀和剪胀效应结合考虑，引入非线性应变能密度函数，根据金兹堡-朗道理论推导了描述非晶合金室温变形的相场模型偏微分方程组；（2）采用相场模型对不同加载应变率下的非晶合金动态破坏形态进行了研究，随着加载应变率的提高，破坏形态分别呈现光滑型剪切带/裂纹、临界型裂纹、分叉型裂纹和散裂型裂纹；（3）基于相场模型非晶合金中剪切带/裂纹萌生与扩展等动态破坏机理进行分析，研究了裂纹萌生及扩展阶段剪切带与裂纹间的关系及其分布，发现了裂纹扩展阶段存在杯锥状形态并从应力角度进行了分析，发现可采用裂纹扩展临界速度作为判断裂纹分叉的判据并给出了临界速度的标定；（4）结合项目的需要开展了与相变相关的塑性应力判据研究；结合本领域的发展趋势，对固体氧化物燃料电池的多场耦合模拟进行了初步探索，为将本项目所建立的相场分析方法应用于燃料电池分析做了准备。本项目的研究成果对于指导非晶合金材料和结构的设计，特别是对非晶合金在动力学构件中的应用有重要意义。.