三种典型块体金属玻璃纯剪断裂的实验与理论研究

For bulk metallic glasses (BMGs), the investigation of pure shear fracture is crucial to the establishment of fracture criterion and the analysis of fracture mechanism. In this subject, we adopt the antisymmetrical four-point bend shear test method to study the pure shear facture for three typical kinds of BMGs (Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5, La60Al25Ni15 and Dy40Y16Al24Co20). Firstly, under quasi-static loading at room temperature, the pure shear fracture tests for these BMGs are carried out to measure the fracture strength. Meanwhile, the fracture surface morphology is observed and represented quantificationally. Secondly, the pure shear fracture strength and surface morphology, as well as their change rules with temperature, are analyzed based on the experimental results at different temperatures changing from 0.31Tg to 1.20Tg (Tg: glass transition temperature). Lastly, according to the experimental results, the fracture mechanism for BMGs is also revealed in corporation with numerical calculation and theoretical analysis. This study provides a new foundation for establishing the fracture criterion and deeply understanding the intrinsic feature of the fracture for BMGs.

块体金属玻璃纯剪断裂的研究对断裂准则的建立及断裂机制的分析至关重要。本项目采用反对称四点弯曲剪切实验方案研究Zr52.5Cu17.9Ni14.6Al10Ti5，La60Al25Ni15和Dy40Y16Al24Co20三种典型块体金属玻璃的纯剪断裂。首先，将这三种块体金属玻璃在室温准静态加载下进行纯剪断裂实验，完成断裂强度的测量，断面形貌的观察及定量表征。接着，通过实验分析这三种块体金属玻璃在不同温度(0.31-1.20Tg，Tg:玻璃转变温度)下的纯剪断裂强度和断面形貌，及其随温度变化的响应规律。最后，根据实验结果，结合数值模拟和理论分析，揭示块体金属玻璃的断裂机制。本项目的研究为金属玻璃断裂准则的建立和深入理解块体金属玻璃断裂的本征特性提供了新的依据。

块体金属玻璃具有优异的性能，如高强度、局部韧性、高弹性极限等，使其在通讯、激光、航天、航空等众多领域具有广泛的应用前景。而相对传统材料，块体金属玻璃的断裂行为尤为复杂，同时受其形成能力的限制，采用传统方案进行剪切断裂实验困难重重。而对剪切断裂行为的研究能为断裂准则的建立和断裂机制的分析提供关键的依据，因此开展剪切断裂实验对块体金属玻璃的理论研究和工程应用至关重要。.本项目采用一种特殊的反对称四点弯曲剪切实验方案，针对典型的块体金属玻璃开展剪切断裂实验。主要取得了如下三方面的成果：.(1) 测量不同温度下Zr-基块体金属玻璃的剪切断裂强度，将测量得到的数据与剪切协同转变模型(Cooperative Shear Model, CSM, Johnson and Samwer, Phys Rev Lett, 2005)的计算结果进行对比，结果显示实验与理论符合较好，这是该模型建立后首次得到剪切实验的直接验证。同时，计算Mohr-Coulomb准则中的内摩擦系数，分析温度对内摩擦系数的影响，并根据实验结果建立了新的断裂准则。.(2) 分析温度对块体金属玻璃断面形貌的影响，提出块体金属玻璃在剪切加载下从低温到高温断裂机制的转变。同时，统计断面上脉络状花纹的尺寸，采用韦伯分布函数拟合脉络状花纹尺寸的分布规律，分析温度对其分布规律的影响，结合剪切转变区理论，阐明温度对块体金属玻璃断裂行为的影响。.(3) 针对Zr-基和La-基两种块体金属玻璃，对比剪切和I型断裂时断面形貌的不同，结合数值模拟，建立宏观断裂行为与其微结构演化之间的关联，阐明正应力对块体金属玻璃断裂机制的影响，深入揭示其断裂的本征特性。.本项目所取得的成果解决了块体金属玻璃剪切断裂实验存在的问题，为断裂准则的发展提供了新的依据，同时也从新的角度揭示了块体金属玻璃断裂的内禀机制。