先进武器爆炸毁伤对具有超高破坏和防护性能的材料需求日益突出。作为一种典型的亚稳态材料，短程有序而长程无序的非晶合金在在强度、硬度、弹性极限和断裂韧性等方面均表现出破纪录的显著优势，优异的力学性能使其未来有望成为国家国防和军事领域潜在的新一代毁伤和防护材料。最近的许多研究发现，非晶合金的断裂模式和韧性具有较强的应力状态敏感性。在不同应变率范围内的动态加载条件下，非晶合金的失效过程表现出脆性剪切带和韧性孔洞扩展的不同演化模式。应变率和应力状态是影响非晶合金变形、损伤和破坏性能的重要因素，然而应力状态究竟是如何影响材料的动态失效模式，以及改变应力状态是否引起非晶合金动态失效模式的转变仍然未有定论。
基于上述研究背景，华南理工大学姚小虎教授团队采用分子动力学方法研究了亚稳态Cu50Zr50非晶合金在不同应力水平的纯剪切和等三轴拉伸的复合加载过程，实现了材料从以剪切带为特征的剪切模式向以微孔洞为特征的拉伸模式的失效机制转变，并确定了临界转变的应力三轴度。在此基础上获得了Cu50Zr50非晶合金的近似椭圆形屈服面，通过对短程序团簇结构的微观演化分析，揭示了复杂应力状态和多种失效模式下非晶合金的变形和转变机制的结构起源。相关成果以“Stress-induced failure transition in metallic glasses”为题发表在固体力学顶级期刊International Journal of Plasticity上。
图1 不同应力三轴度复合加载下Cu50Zr50非晶合金的原子应变场演化过程。
研究表明，在低应力三轴度的复合加载下，分散的剪切转变区相继在非晶合金内部形核，进而发展成潜在的剪切带并进行扩展。当主剪切带发育成熟时，剪应力率先达到非晶合金的剪切屈服极限，此时材料仍然能够承受等三轴拉伸的正应力加载。随后，微孔洞在剪切带内部形核并扩展，直至主孔洞失稳至材料发生拉伸断裂。然而，材料实际上已先后经历了剪切屈服和拉伸断裂过程，应变局部化现象导致的材料沿剪切带的大变形滑移，理应作为低应力三轴度下的材料失效判据。随着应力三轴度的增加，在剪切带发育成熟之前，局部拉应力的增大使得分散的微孔洞在材料内部成核。当主孔洞失稳时材料的拉应力率先达到拉伸强度极限，材料迅速发生拉伸断裂。此时尽管剪应力尚未达到剪切屈服极限，但材料已无法继续承受更大的剪切变形，因此无法显著观察到主剪切带的形成和贯穿现象。材料失效的判据取决于微孔洞的失稳及其后续导致的拉伸破坏过程。当材料承受介于上述两种失效模式中间对应的临界应力三轴度的复合加载时，主孔洞的失稳和主剪切带的贯穿几乎同步发生，拉应力和剪应力也几乎同时达到屈服极限，对应于两种失效模式转变的临界状态。
图2 表征Cu50Zr50 非晶合金失效的椭圆形屈服面。
基于不同应力三轴度下的材料失效判据，非晶合金的失效应力随着应力三轴度的增大单调上升，并在高应力三轴度下趋于稳定。相反，其失效应变则表现出单峰特征，即随着应力三轴度的增大呈现先升后降的特征。在失效转变的临界状态下失效应变取极值，临界的应力三轴度介于（2.0, 3.0）的范围内。基于此，研究获得了描述Cu50Zr50非晶合金失效行为的近似椭圆形屈服面，并在屈服面上清晰阐明了剪切失效区、拉伸失效区和临界过渡区。进一步，研究从短程序的角度分析了非晶合金在两种失效模式下的典型微观结构的演化规律。由于二十面体（准二十面体）团簇在剪切主导的变形中相对稳定，与等三轴拉伸相比表现出较高的抗剪切能力。弹性变形阶段短程序的演化速率受到应力三轴度的显著影响。随着应力三轴度的增大，短程序团簇的变形速率逐渐上升。与剪切破坏模式相反，微孔洞的形成导致非晶合金团簇的严重变形，从而大大降低了在拉伸破坏模式下微结构的短程有序性和结构稳定性。
图3各应力状态下非晶合金在弹性变形阶段的微结构曲线的演化速率。插图显示了代表性二十面体簇在纯剪切和等三轴拉伸过程中的结构演变规律。
本文的研究是我们首次仅通过改变加载应力状态实现非晶合金从一种失效模式向另一种失效模式的转变。进一步的讨论分析认为，由于材料成分、冷却速率、原子结构的差异，其失效机制转变的临界应力三轴度数值可能发生改变，但通过改变加载应力状态实现失效机制的转变应该是不局限于非晶合金材料的普遍性现象。本文的研究工作确定了影响典型成分非晶合金失效转变机制的关键参数及其临界范围，对于理解非晶合金的力学性能，并促进其在各领域的广泛应用至关重要。
论文第一作者为华南理工大学孟令怡副教授，通讯作者为姚小虎教授与唐晓畅博士后，合作作者有硕士生章雨欣（现为中科院力学所博士研究生）。该工作得到了国家自然科学基金杰出青年基金、面上基金、青年基金，广东省自然科学基金杰出青年基金等项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104152
审核：力学家
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